]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - helm/papers/matita/matita2.tex
- s/decompilation/cleaning/
[helm.git] / helm / papers / matita / matita2.tex
1 \documentclass[draft]{kluwer}
2 \usepackage{color}
3 \usepackage{graphicx}
4 % \usepackage{amssymb,amsmath}
5 \usepackage{hyperref}
6 % \usepackage{picins}
7 \usepackage{color}
8 \usepackage{fancyvrb}
9 \usepackage[show]{ed}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\component}{component}
17 \newcommand{\components}{components}
18
19 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
20 \newcommand{\COQ}{Coq}
21 \newcommand{\COQIDE}{CoqIde}
22 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
23 \newcommand{\GDOME}{Gdome}
24 \newcommand{\HELM}{Helm}
25 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
26 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
27 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
28 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\dR}}
29 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\dZ}}
30 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
31 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
32 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
33 \newcommand{\MATITA}{Matita}
34 \newcommand{\MATITAC}{\texttt{matitac}}
35 \newcommand{\MATITADEP}{\texttt{matitadep}}
36 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
37 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
38 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
39 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
40 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
41 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
42 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
43 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
44 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
45 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
46 \newcommand{\GETTER}{Getter}
47 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
48 \newcommand{\DOT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{.}}}}
49 \newcommand{\SEMICOLON}{\ensuremath{\mbox{\textbf{;}}}}
50 \newcommand{\BRANCH}{\ensuremath{\mbox{\textbf{[}}}}
51 \newcommand{\SHIFT}{\ensuremath{\mbox{\textbf{\textbar}}}}
52 \newcommand{\POS}[1]{\ensuremath{#1\mbox{\textbf{:}}}}
53 \newcommand{\MERGE}{\ensuremath{\mbox{\textbf{]}}}}
54 \newcommand{\FOCUS}[1]{\ensuremath{\mathtt{focus}~#1}}
55 \newcommand{\UNFOCUS}{\ensuremath{\mathtt{unfocus}}}
56 \newcommand{\SKIP}{\MATHTT{skip}}
57 \newcommand{\TACTIC}[1]{\ensuremath{\mathtt{tactic}~#1}}
58
59 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
60 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
61 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
62 \newcommand{\OP}[1]{``\texttt{#1}''}
63
64 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
65 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
66  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
67  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
68   \begin{center}
69    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
70   \end{center}}
71
72 \newcounter{example}
73 \newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
74  {}
75 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
76 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
77 % \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
78 \newcommand{\NOTE}[1]{\ednote{#1}{foo}}
79 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
80
81 \newcounter{pass}
82 \newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
83
84 \newsavebox{\tmpxyz}
85 \newcommand{\sequent}[2]{
86   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
87     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
88       \ensuremath{#1} \\
89       \rule{3cm}{0.03cm}\\
90       \ensuremath{#2}
91     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
92   \begin{center}
93    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
94   \end{center}}
95
96 \bibliographystyle{plain}
97
98 \begin{document}
99
100 \begin{opening}
101
102  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
103
104 \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
105 \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
106 \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
107 \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
108 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
109  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
110
111 \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
112 \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
113
114 % \date{data}
115
116 \begin{motto}
117 ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
118 \end{motto}
119
120 \begin{abstract}
121  abstract qui
122 \end{abstract}
123
124 \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
125 Digital Libraries}
126
127 \end{opening}
128
129 \tableofcontents
130
131 \section{Introduction}
132 \label{sec:intro}
133 \MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{} team
134 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
135 Prof.~Asperti. \\
136 The paper describes the overall architecture of
137 the system, focusing on its most distintive and innovative 
138 features.
139
140 \subsection{Historical Perspective}
141 The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
142 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
143 via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
144 library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
145 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
146 have been also conducted with other systems, and notably 
147 with \NUPRL{}\cite{nuprl-book}.
148 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
149 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
150 following steps:
151 \begin{itemize}
152 \item exporting the information from the internal representation of
153  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
154 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
155 a content-centric architecture\cite{content-centric} where the documents
156 of the library were the the main components around which everything else 
157 has to be build;
158 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
159  queries to the library; 
160 %these efforts gave birth to our \WHELP{}
161 %search engine, described in~\cite{whelp};
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 %and developed inside
166 %\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
167 %which can be integrated in any application.
168 \end{itemize}
169
170 According to our content-centric commitment, the library exported from
171 \COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
172 as Web services. The user could interact with the library and the tools by
173 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
174
175 The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
176 to a set of software libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
177 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
178 tools and software libraries:
179 \begin{itemize}
180 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
181 with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format
182 \cite{exportation-module};
183 \item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
184 XML knowledge base;
185 \item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
186 implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
187 logically relevant content;
188 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
189 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
190 mathematical notation \cite{disambiguation};
191 \item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
192 partially specified terms, used by the disambiguating parser;
193 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
194 language \cite{remathematization};
195 \item an innovative, MathML-compliant rendering widget for the GTK 
196 graphical environment\cite{padovani}, supporting 
197 high-quality bidimensional
198 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
199 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
200 a different text area.
201 \end{itemize}
202 Starting from all this, developing our own proof assistant was not
203 too far away: essentially, we ``just'' had to
204 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
205 overall management of the library, integrating everything into a
206 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
207
208 \subsection{The System}
209 DESCRIZIONE DEL SISTEMA DAL PUNTO DI VISTA ``UTENTE''
210
211 \begin{itemize}
212  \item scelta del sistema fondazionale
213  \item sistema indipendente (da \COQ)
214  \item compatibilit\`a con sistemi legacy
215 \end{itemize}
216
217 \subsection{Relationship with \COQ{}}
218
219 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
220 more the effect of the circumstances of its creation described 
221 above than the result of a deliberate design. In particular, we
222 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
223 Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
224 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
225 However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
226 two systems.
227
228 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
229 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
230 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
231 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
232 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
233 we could furtherly reduce our code in sensible way).
234
235 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
236 respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
237 989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
238
239 Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
240 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
241 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
242 the parser for ambiguous mathematical notation.
243
244 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
245 historically. \COQ{} is a quite old
246 system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
247 several developers have took over the code and several new research ideas
248 that were not considered in the original architecture have been experimented
249 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
250 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
251 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
252 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
253 unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
254 is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
255 over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
256 of the code.
257
258 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
259 we have took advantage of the research results and experiences previously
260 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
261 scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
262 the code in coherent minimally coupled libraries.
263
264 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
265 extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
266 simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
267 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
268
269 %For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
270 %be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
271 %and frequent interactions with \COQ{} developers.
272
273 \begin{figure}[t]
274  \begin{center}
275   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
276   \caption{\MATITA{} libraries}
277   \label{fig:libraries}
278  \end{center}
279 \end{figure}
280
281 \section{Architecture}
282 \label{architettura}
283 Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
284 (circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM
285 project.
286
287 Applications and \components{} depend over other \components{} forming a
288 directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
289 a a set of \emph{modules} also forming a DAG.
290
291 Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
292 at different scales. Applications that require only a few functionalities
293 depend on a restricted set of \components{}.
294
295 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
296 applications meant to be used directly by the user. All the other applications
297 are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
298 elsewhere. In particular:
299 \begin{itemize}
300  \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
301    from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
302    responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
303    it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
304    distributed on the network. More information on the Getter can be found
305    in~\cite{zack-master}.
306  \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
307    notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
308    by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
309    for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
310    can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
311    an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
312    are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
313    that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
314    the query is only approssimated in the sense that false matches can be
315    returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
316  \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
317    notion in the distributed library, renders it according to the user provided
318    two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
319    of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
320    The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
321    Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
322  \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
323    notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
324    is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
325    is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
326    dependencies, checking in turn every notion for correctness.
327    The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
328  \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
329    a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
330    The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
331 \end{itemize}
332
333 The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
334 be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
335 For those \components{} whose functionalities are also provided by the
336 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
337 forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
338 is just a wrapper to the \GETTER \component{} that allows the
339 \component{} to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code
340 of the \GETTER \component, or it can use a stub library with the same
341 API that forwards every request to the Getter.
342
343 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
344 \component, we can focus on the representation of the mathematical information.
345 \MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
346 Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
347 expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
348 four different levels of specification. On each level it is possible to provide
349 a different set of functionalities. The four different levels are:
350 fully specified terms; partially specified terms; 
351 content level terms; presentation level terms.
352
353 \subsection{Fully specified terms}
354 \label{fully-spec}
355  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
356    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
357    The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
358    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
359    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
360    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
361    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
362    consumption.
363
364    The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
365    and provides a parser for terms stored in an XML format.
366
367    The most important \component{} that deals with fully specified terms is
368    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
369    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
370    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
371    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
372
373    Terms may reference other mathematical notions in the library.
374    One commitment of our project is that the library should be physically
375    distributed. The \GETTER \component{} manages the distribution,
376    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
377    of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
378    data type and several utility functions over URIs. The
379    \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER
380    \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
381    notion referenced by a term that is being type-checked. 
382
383    The Proof Checker is the Web service that provides an interface
384    to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
385
386    We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
387    in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
388    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
389    mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
390    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
391    database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
392    a simplified
393    interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
394    metadata. The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the
395    metadata
396    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
397    mathematical notions (the main functionality of the crawler).
398    The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
399    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
400    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
401    (that will be described later on and that is implemented in the
402     \texttt{cic\_unification} \component). Not performing any actual matching
403    the query only returns a complete and hopefully small set of matching
404    candidates. The process that has issued the query is responsible of
405    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
406    out false matches if interested in doing so.
407
408    The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
409    the \texttt{whelp} \component.
410
411    According to our vision, the library is developed collaboratively so that
412    changing or removing a notion can invalidate other notions in the library.
413    Moreover, changing or removing a notion requires a corresponding change
414    in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
415    of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
416    when a notion is removed, all the notions that depend on it and their
417    metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
418    in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
419    
420 \subsection{Partially specified terms}
421 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
422 Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
423 a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
424 linearly. The latters may occur multiple times and are called
425 \emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
426 occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
427 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
428 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
429 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
430 value for the term bound by the hypothesis.
431
432 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
433 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
434 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
435 metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
436 partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
437 in the \texttt{cic\_unification} \component. As the type checker is based on
438 the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
439 a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
440 as few as possible metavariables that occur in them.
441
442 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
443 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
444 that occur in the proof correspond to the conjectures still to be proved.
445 The sequent associated to the metavariable is the conjecture the user needs to
446 prove.
447
448 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
449 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
450 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
451 \texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
452 unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
453
454 The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
455 commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
456 Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
457 and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA{}.
458 It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
459 from status to status.  It implements also an undo function to go back to
460 previous statuses. \TODO{parlare di disambiguazione lazy \& co?}
461
462 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
463 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
464 possible to adopt the usual mathematical notation. However they are already
465 an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
466 information that can be inferred by the refiner.
467
468 \subsection{Content level terms}
469 \label{sec:contentintro}
470
471 The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
472 user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
473 notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
474 ambiguity that the mathematical language provides.
475
476 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
477 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
478 that several equalities can be distinguished as soon as we care for decidability
479 or for their computational properties. For instance equality over real
480 numbers is well known to be undecidable, whereas it is decidable over
481 rational numbers.
482
483 Similarly, we usually speak of natural numbers and their operations and
484 properties without caring about their representation. However the computational
485 properties of addition over the binary representation are very different from
486 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
487 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
488
489 Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
490 very precise on the types he is using and their representation. However,
491 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
492 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
493 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
494 the \emph{content level} representation of expressions.
495
496 In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
497 to content level terms and the other way around. The first translation can also
498 be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
499 case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
500
501 The translation from partially specified terms to content level terms must
502 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
503 expressions. The firsts are translated to a content level representation of
504 proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
505 are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
506 standard
507 for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
508
509 The translation to content level is implemented in the
510 \texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
511 specified terms}, that are maximally unshared
512 partially specified terms enriched with additional typing information for each
513 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
514 proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
515 content level since it is required to generate the natural language rendering
516 of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
517 and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
518 two different positions we need to associate different typing informations.
519 This association is made easier when the term is represented as a tree since
520 it is possible to label each node with an unique identifier and associate
521 the typing information using a map on the identifiers.
522 The \texttt{cic\_acic} \component{} unshares and annotates terms. It is used
523 by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
524 in the library in their annotated form.
525
526 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
527 partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
528 the reverse translation for expressions. The mapping from
529 content level expressions to partially specified terms is not unique due to
530 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
531 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
532 every ambiguous expression one partially specified term. The
533 \texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
534 disambiguation algorithm we presented in~\cite{disambiguation} that is
535 responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
536 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
537 obtained using the interpretation is refinable.
538
539 \subsection{Presentation level terms}
540
541 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
542 expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
543 is called \emph{presentation level}.
544
545 The main important difference between the content level language and the
546 presentation level language is that only the former is extendible. Indeed,
547 the presentation level language is a finite language that comprises all
548 the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
549 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
550
551 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
552 standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
553 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
554 visually
555 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
556 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
557 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
558 BoxML.
559
560 The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
561 translation from content level terms to presentation level terms. The
562 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
563 the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
564 utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
565 presentation
566 level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
567 widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
568 particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
569 selection}.
570
571 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
572 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
573 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
574 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
575 correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
576 fully specified term.
577 Once the rendering of a lower level term is
578 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
579 lower level term. An example of applications of semantic selection is
580 \emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
581 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
582 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
583 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
584
585 The reverse translation from presentation level terms to content level terms
586 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
587 Differently from the translation from content level terms to partially
588 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
589 parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
590 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
591 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
592 This means that the user must fix once and for all the associativity and
593 precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
594 does not seem too strong. The reason is that the target of the
595 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
596 to every content level term several different interpretations (as a
597 partially specified term).
598
599 Both the direct and reverse translation from presentation to content level
600 terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
601 The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
602 that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
603 of commands to declare and activate new notations and it implements the
604 semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
605 actions. Among the commands there are hints to the
606 disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
607 These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
608
609 Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
610 the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser process a stream
611 of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
612 defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
613 by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
614 the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
615 process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
616 level, it invokes the already described parser for terms contained in
617 \texttt{content\_pres}.
618
619 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
620 against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
621 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
622 written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
623 then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.
624 However, only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
625 \texttt{tactics} components since \WHELP{} can only execute those ASTs that
626 correspond to queries (implemented in the \texttt{whelp} component).
627
628 The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
629 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
630 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
631 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
632 it to the presentation level passing through the content level. Finally
633 it returns the result document to be rendered by the user's
634 browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
635
636
637 The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
638 \texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
639 minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
640 services missing from the standard library of the programming language.
641 In particular, the \texttt{xml} \component{} is used
642 to easily represent, parse and pretty-print XML files.
643
644 \section{Using \MATITA (boh \ldots cambiare titolo)}
645
646 \begin{figure}[t]
647  \begin{center}
648 %   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{a.eps}
649   \caption{\MATITA{} screenshot}
650   \label{fig:screenshot}
651  \end{center}
652 \end{figure}
653
654 \MATITA{} has a script based user interface. As can be seen in Fig.~... it is
655 split in two main windows: on the left a textual widget is used to edit the
656 script, on the right the list of open goal is shown using a MathML rendering
657 widget. A distinguished part of the script (shaded in the screenshot) represent
658 the commands already executed and can't be edited without undoing them. The
659 remaining part can be freely edited and commands from that part can be executed
660 moving down the execution point. An additional window --- the ``cicBrowser'' ---
661 can be used to browse the library, including the proof being developed, and
662 enable content based search on it. In the cicBrowser proofs are rendered in
663 natural language, automatically generated from the low-level $\lambda$-terms
664 using techniques inspired by \cite{natural,YANNTHESIS}.
665
666 In the \MATITA{} philosophy the script is not relevant \emph{per se}, but is
667 only seen as a convenient way to create mathematical objects. The universe of
668 all these objects makes up the \HELM{} library, which is always completely
669 visible to the user. The mathematical library is thus conceived as a global 
670 hypertext, where objects may freely reference each other. It is a duty of
671 the system to guide the user through the relevant parts of the library. 
672
673 This methodological assumption has many important consequences
674 which will be discussed in the next section.
675
676 %on one side
677 %it requires functionalities for the overall management of the library, 
678 %%%%%comprising efficient indexing techniques to retrieve and filter the 
679 %information; 
680 %on the other it introduces overloading in the use of 
681 %identifiers and mathematical notation, requiring sophisticated disambiguation
682 %techniques for interpreting the user inputs.  
683 %In the next two sections we shall separately discuss the two previous 
684 %points. 
685
686 %In order to maximize accessibility mathematical objects are encoded in XML. (As%discussed in the introduction,) the modular architecture of \MATITA{} is
687 %organized in components which work on data in this format. For instance the
688 %rendering engine, which transform $\lambda$-terms encoded as XML document to
689 %MathML Presentation documents, can be used apart from \MATITA{} to print  ...
690 %FINIRE
691
692 A final section is devoted to some innovative aspects
693 of the authoring system, such as a step by step tactical execution, 
694 content selection and copy-paste. 
695
696 \section{Library Management}
697
698 \subsection{Indexing and searching}
699
700
701 \subsection{Compilation and cleaning}
702 \label{sec:libmanagement}
703
704 %
705 %goals: consentire sviluppo di una librearia mantenendo integrita' referenziale e usando le teconologie nostre (quindi con metadati, XML, libreria visibile)
706 %\subsubsection{Composition}
707 %scripts.ma, .moo, XML, metadata
708 %\subsubsection{Compilation}
709 %analogie con compilazione classica dso.\\
710 %granularita' differenti per uso interattivo e non
711 %\paragraph{Batch}
712 %- granularita' .ma/buri \\
713 %-- motivazioni\\
714 %- come si calcolano le dipendenze\\
715 %- quando la si usa\\
716 %- metodi (cc e clean)\\
717 %- garanzie
718 %\paragraph{Interactive}
719 %- granularita' fine\\
720 %-- motivazioni
721 %\label{sec:libmanagement}
722 %consistenza: integrita' referenziale
723 %Goals: mantenere consistente la rappresentazione della libreria su
724 %memoria persistente consentendo di compilare e pulire le compilation
725 %unit (.ma).\\
726 %Vincoli: dipendenze oggetti-oggetti e metadati-oggetti\\
727 %Due livelli di gestione libreria, uno e' solo in fase interattiva dove la compilazione e' passo passo: \\
728 %--- granularita' oggetto per matita interactive\\
729 %--- granularita' baseuri (compilation unit) per la libreria\\
730 %In entrmbi i casi ora:\\
731 %--- matitaSync: add, remove, timetravel(facility-macro tra 2 stati)[obj]\\
732 %--- matitaCleanLib: clean\_baseuri (che poi usa matitaSync a sua volta)[comp1]\\
733 %Vincoli di add: typecheck ( ==$>$ tutto quello che usa sta in lib)\\
734 %Vincoli di remove: \\
735 %--- la remove di mSync non li controlla (ma sa cosa cancellare per ogni uri)\\
736 %--- la clean\_baseuri calcola le dipendenze con i metadati (o anche i moo direi) e li rispetta\\
737 %Undo di matita garantisce la consistenza a patto che l'history che tiene sia ok\\
738 %Undo della lib (mClean) garantisce la consistenza (usando moo o Db).\\
739
740 The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
741 preserves the consistency and the availability of the library
742 using the \WHELP{} technology, in response to the user addition or 
743 removal of mathematical objects.
744
745 As already sketched in \ref{fully-spec} the output of the
746 compilation of a script is split among two storage media, a
747 classical filesystem and a relational database. The former is used to
748 store the XML encoding of the objects defined in the script, the
749 disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
750 while the latter is used to store all the metadata needed by
751 \WHELP{}.
752
753 While the consistency of the data store in the two media has
754 nothing to do with the nature of
755 the content of the library and is thus uninteresting (but really
756 tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
757 notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
758 must reference only defined object (i.e. each proof must use only
759 already proved theorems). 
760
761 We will focus on how \MATITA{} ensures the interesting kind
762 of consistency during the formalization of a mathematical theory, 
763 giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
764 without loosing the feeling of an always visible and browsable
765 library.
766
767 \subsubsection{Compilation}
768
769 The typechecker component guarantees that if an object is well typed
770 it depends only on well typed objects available in the library,
771 that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
772 the library is preserved. We have only to find the right order of
773 compilation of the scripts that compose the user development.
774
775 For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
776 that takes in input the list of files that compose the development and
777 outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make} tool.
778 The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
779 simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
780 script files can be found) and \MATITA{} will handle all the compilation
781 related tasks, including dependencies calculation.
782 To compute dependencies it is enough to look at the script files for
783 inclusions of other parts of the development or for explicit
784 references to other objects (i.e. with explicit aliases, see
785 \ref{sec:disambaliases}). 
786
787 The output of the compilation is immediately available to the user
788 trough the \WHELP{} technology, since all metadata are stored in a
789 user-specific area of the database where the search engine has read
790 access, and all the automated tactics that operates on the whole
791 library, like \AUTO, have full visibility of the newly defined objects.
792
793 Compilation is rather simple, and the only tricky case is when we want
794 to compile again the same script, maybe after the removal of a
795 theorem. Here the policy is simple: clean the output before recompiling.
796 As we will see in the next section cleaning will ensure that
797 there will be no theorems in the development that depends on the
798 removed items.
799
800 \subsubsection{Cleaning}
801
802 With the term ``cleaning'' we mean the process of removing all the
803 results of an object compilation. In order to keep the consistency of
804 the library, cleaning an object requires the (recursive) cleaning
805 of all the objects that depend on it (\emph{reverse dependencies}).
806
807 The calculation of the reverse dependencies can be computed in two
808 ways, using the relational database or using a simpler set of metadata
809 that \MATITA{} saves in the filesystem as a result of compilation. The
810 former technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
811 described in \cite{zack-master} and really depends on a relational
812 database.
813
814 The latter is a fall-back in case the database is not
815 available.\footnote{Due to the complex deployment of a large piece of
816 software like a database, it is a common practice for the \HELM{} team
817 to use a shared remote database, that may be unavailable if the user
818 workstation lacks network connectivity.} This facility has to be
819 intended only as a fall-back, since the queries of the \WHELP{}
820 technology depend require a working database.
821
822 Cleaning guarantees that if an object is removed there are no dandling
823 references to it, and that the part of the library still compiled is
824 consistent. Since cleaning involves the removal of all the results of
825 the compilation, metadata included, the library browsable trough the
826 \WHELP{} technology is always kept up to date.
827
828 \subsubsection{Batch vs Interactive}
829
830 \MATITA{} includes an interactive graphical interface and a batch
831 compiler (\MATITAC). Only the former is intended to be used directly by the
832 user, the latter is automatically invoked when a
833 part of the user development is required (for example issuing an
834 \texttt{include} command) but not yet compiled.
835
836 While they share the same engine for compilation and cleaning, they
837 provide different granularity. The batch compiler is only able to
838 compile a whole script and similarly to clean only a whole script
839 (together with all the other scripts that rely on an object defined in
840 it). The interactive interface is able to execute single steps of
841 compilation, that may include the definition of an object, and
842 similarly to undo single steps. Note that in the latter case there is
843 no risk of introducing dangling references since the \MATITA{} user
844 interface inhibit undoing a step which is not the last executed.
845
846 \subsection{Automation}
847
848 \subsection{\MATITA's naming convention}
849 A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
850 adopting a (semi)-rigid naming convention for identifiers, derived by 
851 our studies about metadata for statements. 
852 The convention is only applied to identifiers for theorems 
853 (not definitions), and relates the name of a proof to its statement.
854 The basic rules are the following:
855 \begin{itemize}
856 \item each identifier is composed by an ordered list of (short)
857 names occurring in a left to right traversal of the statement; 
858 \item all identifiers should (but this is not strictly compulsory) 
859 separated by an underscore,
860 \item identifiers in two different hypothesis, or in an hypothesis
861 and in the conlcusion must be separated by the string ``\verb+_to_+'';
862 \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
863 single or duoble apostrophe.
864
865 \end{itemize}
866 Take for instance the theorem
867 \[\forall n:nat. n = plus \; n\; O\]
868 Possible legal names are: \verb+plus_n_O+, \verb+plus_O+, 
869 \verb+eq_n_plus_n_O+ and so on. 
870 Similarly, consider the theorem 
871 \[\forall n,m:nat. n<m \to n \leq m\]
872 In this case \verb+lt_to_le+ is a legal name, 
873 while \verb+lt_le+ is not.\\
874 But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
875 to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
876 The correct approach, 
877 in this case, is the following. You should start with defining the 
878 symmetric property for relations
879
880 \[definition\;symmetric\;= \lambda A:Type.\lambda R.\forall x,y:A.R x y \to R y x \]
881
882 Then, you may state the symmetry of equality as
883 \[ \forall A:Type. symmetric \;A\;(eq \; A)\]
884 and \verb+symmetric_eq+ is valid \MATITA{} name for such a theorem. 
885 So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
886 has an important benefical effect on the global organization of the library, 
887 forcing the user to define abstract notions and properties before 
888 using them (and formalizing such use).
889
890 Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
891 conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
892 theorems of the shape
893 $\forall P,\dots.P(t)$.
894 In this case you may replace the conclusion with the word
895 ``elim'' or ``case''.
896 For instance the name \verb+nat_elim2+ is a legal name for the double
897 induction principle.
898
899 The other special case is that of statements whose conclusion is a
900 match expression. 
901 A typical example is the following
902 \begin{verbatim}
903   \forall n,m:nat. 
904       match (eqb n m) with
905         [ true  \Rightarrow n = m 
906         | false \Rightarrow n \neq m]
907 \end{verbatim}
908 where $eqb$ is boolean equality.
909 In this cases, the name can be build starting from the matched
910 expression and the suffix \verb+_to_Prop+. In the above example, 
911 \verb+eqb_to_Prop+ is accepted. 
912
913 \section{The \MATITA{} user interface}
914
915 \subsection{Disambiguation}
916 \label{sec:disambiguation}
917
918 Software applications that involve input of mathematical content should strive
919 to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
920 believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
921 Being that drift in general very large when inputing
922 proofs~\cite{debrujinfactor}, in \MATITA{} we achieved good results for
923 mathematical formulae which can be input using a \TeX-like encoding (the
924 concrete syntax corresponding to presentation level terms) and are then
925 translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
926 Sect.~\ref{sec:contentintro}.
927
928 The key component of the translation is the generic disambiguation algorithm
929 implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
930 and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we present how to use
931 such an algorithm in the context of the development of a library of formalized
932 mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
933 some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
934 expressiveness.
935
936 \subsubsection{Disambiguation aliases}
937 \label{sec:disambaliases}
938 Let's start with the definition of the ``strictly greater then'' notion over
939 (Peano) natural numbers.
940
941 \begin{grafite}
942 include "nat/nat.ma".
943 ..
944 definition gt: nat \to nat \to Prop \def
945   \lambda n, m. m < n.
946 \end{grafite}
947
948 The \texttt{include} statement adds the requirement that the part of the library
949 defining the notion of natural numbers should be defined before
950 processing the what follows. Note indeed that the algorithm presented
951 in~\cite{disambiguation} does not describe where interpretations for ambiguous
952 expressions come from, since it is application-specific. As a first
953 approximation, we will assume that in \MATITA{} they come from the library (i.e.
954 all interpretations available in the library are used) and the \texttt{include}
955 statements are used to ensure the availability of required library slices (see
956 Sect.~\ref{sec:libmanagement}).
957
958 While processing the \texttt{gt} definition, \MATITA{} has to disambiguate two
959 terms: its type and its body. Being available in the required library only one
960 interpretation both for the unbound identifier \texttt{nat} and for the
961 \OP{<} operator, and being the resulting partially specified term refinable,
962 both type and body are easily disambiguated.
963
964 Now suppose we have defined integers as signed natural numbers, and that we want
965 to prove a theorem about an order relationship already defined on them (which of
966 course overload the \OP{<} operator):
967
968 \begin{grafite}
969 include "Z/z.ma".
970 ..
971 theorem Zlt_compat:
972   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
973 \end{grafite}
974
975 Since integers are defined on top of natural numbers, the part of the library
976 concerning the latters is available when disambiguating \texttt{Zlt\_compat}'s
977 type. Thus, according to the disambiguation algorithm, two different partially
978 specified terms could be associated to it. At first, this might not be seen as a
979 problem, since the user is asked and can choose interactively which of the two
980 she had in mind. However in the long run it has the drawbacks of inhibiting
981 batch compilation of the library (a technique used in \MATITA{} for behind the
982 scene compilation when needed, e.g. when an \texttt{include} is issued) and
983 yields to poor user interaction (imagine how tedious would be to be asked for a
984 choice each time you re-evaluate \texttt{Zlt\_compat}!).
985
986 For this reason we added to \MATITA{} the concept of \emph{disambiguation
987 aliases}. Disambiguation aliases are one-to-many mappings from ambiguous
988 expressions to partially specified terms, which are part of the runtime status
989 of \MATITA. They can be provided by users with the \texttt{alias} statement, but
990 are usually automatically added when evaluating \texttt{include} statements
991 (\emph{implicit aliases}). Aliases implicitely inferred during disambiguation
992 are remembered as well. Moreover, \MATITA{} does it best to ensure that terms
993 which require interactive choice are saved in batch compilable format. Thus,
994 after evaluating the above theorem the script will be changed to the following
995 snippet (assuming that the interpretation of \OP{<} over integers has been
996 choosed):
997
998 \begin{grafite}
999 alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
1000 theorem Zlt_compat:
1001   \forall x, y, z. x < y \to y < z \to x < z.
1002 \end{grafite}
1003
1004 But how are disambiguation aliases used? Since they come from the parts of the
1005 library explicitely included we may be tempted of using them as the only
1006 available interpretations. This would speed up the disambiguation, but may fail.
1007 Consider for example:
1008
1009 \begin{grafite}
1010 theorem lt_mono: \forall x, y, k. x < y \to x < y + k.
1011 \end{grafite}
1012
1013 and suppose that the \OP{+} operator is defined only on natural numbers. If
1014 the alias for \OP{<} points to the integer version of the operator, no
1015 refinable partially specified term matching the term could be found.
1016
1017 For this reason we choosed to attempt \emph{multiple disambiguation passes}. A
1018 first pass attempt to disambiguate using the last available disambiguation
1019 aliases (\emph{mono aliases} pass), in case of failure the next pass try again
1020 the disambiguation forgetting the aliases and using the whole library to
1021 retrieve interpretation for ambiguous expressions (\emph{library aliases} pass).
1022 Since the latter pass may lead to too many choices we intertwined an additional
1023 pass among the two which use as interpretations all the aliases coming for
1024 included parts of the library (\emph{multi aliases} phase). This is the reason
1025 why aliases are \emph{one-to-many} mappings instead of one-to-one. This choice
1026 turned out to be a well-balanced trade-off among performances (earlier passes
1027 fail quickly) and degree of ambiguity supported for presentation level terms.
1028
1029 \subsubsection{Operator instances}
1030
1031 Let's suppose now we want to define a theorem relating ordering relations on
1032 natural and integer numbers. The way we would like to write such a theorem (as
1033 we can read it in the \MATITA{} standard library) is:
1034
1035 \begin{grafite}
1036 include "Z/z.ma".
1037 include "nat/orders.ma".
1038 ..
1039 theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
1040   \forall n, m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
1041 \end{grafite}
1042
1043 Unfortunately, none of the passes described above is able to disambiguate its
1044 type, no matter how aliases are defined. This is because the \OP{<} operator
1045 occurs twice in the content level term (it has two \emph{instances}) and two
1046 different interpretations for it have to be used in order to obtain a refinable
1047 partially specified term. To address this issue, we have the ability to consider
1048 each instance of a single symbol as a different ambiguous expression in the
1049 content level term, and thus we can assign a different interpretation to each of
1050 them. A disambiguation pass which exploit this feature is said to be using
1051 \emph{fresh instances}.
1052
1053 Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
1054 an interpretation for one instances does not constraint the choice for the
1055 others). For this reason we always attempt a fresh instances pass only after
1056 attempting a non-fresh one.
1057
1058 \paragraph{One-shot aliases} Disambiguation aliases as seen so far are
1059 instance-independent. However, aliases obtained as a result of a disambiguation
1060 pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent, that is: to
1061 ensure a term can be disambiguated in a batch fashion we may need to state that
1062 an \emph{i}-th instance of a symbol should be mapped to a given partially
1063 specified term. Instance-depend aliases are meaningful only for the term whose
1064 disambiguation generated it. For this reason we call them \emph{one-shot
1065 aliases} and \MATITA{} doesn't use it to disambiguate further terms down in the
1066 script.
1067
1068 \subsubsection{Implicit coercions}
1069
1070 Let's now consider a (rather hypothetical) theorem about derivation:
1071
1072 \begin{grafite}
1073 theorem power_deriv:
1074   \forall n: nat, x: R. d x ^ n dx = n * x ^ (n - 1).
1075 \end{grafite}
1076
1077 and suppose there exists a \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}
1078 interpretation for \OP{\^}, and a real number interpretation for \OP{*}.
1079 Mathematichians would write the term that way since it is well known that the
1080 natural number \texttt{n} could be ``injected'' in \IR{} and considered a real
1081 number for the purpose of real multiplication. The refiner of \MATITA{} supports
1082 \emph{implicit coercions} for this reason: given as input the above content
1083 level term, it will return a partially specified term where in place of
1084 \texttt{n} the application of a coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears
1085 (assuming it has been defined as such of course).
1086
1087 Nonetheless coercions are not always desirable. For example, in disambiguating
1088 \texttt{\TEXMACRO{forall} x: nat. n < n + 1} we don't want the term which uses
1089 two coercions from \texttt{nat} to \texttt{R} around \OP{<} arguments to show up
1090 among the possible partially specified term choices. For this reason in
1091 \MATITA{} we always try first a disambiguation pass which require the refiner
1092 not to use the coercions and only in case of failure we attempt a
1093 coercion-enabled pass.
1094
1095 It is interesting to observe also the relationship among operator instances and
1096 implicit coercions. Consider again the theorem \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos},
1097 which \MATITA{} disambiguated using fresh instances. In case there exists a
1098 coercion from natural numbers to (positive) integers (which indeed does, it is
1099 the \texttt{pos} constructor itself), the theorem can be disambiguated using
1100 twice that coercion on the left hand side of the implication. The obtained
1101 partially specified term however would not probably be the expected one, being a
1102 theorem which prove a trivial implication. For this reason we choose to always
1103 prefer fresh instances over implicit coercions, i.e. we always attempt
1104 disambiguation passes with fresh instances and no implicit coercions before
1105 attempting passes with implicit coercions.
1106
1107 \subsubsection{Disambiguation passes}
1108
1109 According to the criteria described above in \MATITA{} we choose to perform the
1110 sequence of disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}.  In
1111 our experience that choice implements a good trade off among disambiguation time
1112 and admitted ambiguity in terms input by users.
1113
1114 \begin{table}[ht]
1115  \caption{Sequence of disambiguation passes used in \MATITA.\strut}
1116  \label{tab:disambpasses} 
1117  \begin{center}
1118   \begin{tabular}{c|c|c|c}
1119    \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
1120    & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\textbf{Disambiguation aliases}}
1121    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
1122    & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
1123    \hline
1124    \PASS & Mono aliases   & Shared          & Disabled \\
1125    \PASS & Multi aliases  & Shared          & Disabled \\
1126    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Disabled \\
1127    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Disabled \\
1128    \PASS & Mono aliases   & Fresh instances & Enabled  \\
1129    \PASS & Multi aliases  & Fresh instances & Enabled  \\
1130    \PASS & Library aliases& Fresh instances & Enabled
1131   \end{tabular}
1132  \end{center}
1133 \end{table}
1134
1135 \subsection{Patterns}
1136
1137 serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
1138 il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
1139 sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
1140 tattichini.\\
1141
1142 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
1143 selection.
1144
1145 \MATITA{} benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
1146 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
1147 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
1148 restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
1149 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
1150 script is not obvious.\\
1151 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
1152
1153 \subsubsection{Pattern syntax}
1154 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
1155 $\NT{wanted}$.
1156 The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
1157 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
1158 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
1159
1160 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
1161 \NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
1162 \begin{table}
1163  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
1164 \hrule
1165 \[
1166 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1167   \NT{pattern} & 
1168     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
1169   \NT{sequent\_path} & 
1170     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
1171       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
1172   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
1173   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
1174 \end{array}
1175 \]
1176 \hrule
1177 \end{table}
1178
1179 \subsubsection{How patterns work}
1180 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
1181 selects roots (subterms) of the sequent, using the
1182 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
1183 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
1184 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
1185 conclusion.
1186
1187 \begin{description}
1188 \item[Phase 1]
1189   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
1190   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
1191   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
1192   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
1193   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
1194   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
1195   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
1196   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
1197   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
1198   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
1199   \NOTE{Questo ancora non va in matita}
1200
1201   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
1202   is allowed.
1203   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
1204   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
1205   selects the whole term, is simply $\%$.
1206   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
1207   that respectively select the first argument of an application or
1208   the source of an arrow and the head of the application that is
1209   found in the arrow target.
1210
1211   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
1212   their context that will be eventually used in the second phase.
1213
1214 \item[Phase 2] 
1215   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
1216   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
1217   will see as subterm roots, and their context. For each of these
1218   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
1219   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
1220   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
1221   pattern represents.
1222
1223 \end{description}
1224
1225 \noindent
1226 Since the first step is equipotent to the composition of the two
1227 steps, the system uses it to represent each visual selection.
1228 The second step is only meant for the
1229 experienced user that writes patterns by hand, since it really
1230 helps in writing concise patterns as we will see in the
1231 following examples.
1232
1233 \subsubsection{Examples}
1234 To explain how the first step works let's give an example. Consider
1235 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
1236 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
1237 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
1238 Typing
1239 \begin{grafite}
1240 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
1241   intros (n m H).
1242 \end{grafite}
1243 \noindent
1244 leads you to the following sequent 
1245 \sequent{
1246 n:nat\\
1247 m:nat\\
1248 H: m + n = n}{
1249 m=O
1250 }
1251 \noindent
1252 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
1253 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
1254 \begin{grafite}
1255   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
1256 \end{grafite}
1257 \noindent
1258 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
1259 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
1260 and discharges the head of the application and the first two arguments with a
1261 $?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
1262 but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
1263 and left to the system the burden of writing down in the script file the
1264 corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
1265 trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
1266 the type $nat$ in this example).
1267
1268 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
1269 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
1270 a simpler pattern that uses the second phase.
1271 \begin{grafite}
1272   change in match n in H with (O + n).
1273 \end{grafite}
1274 \noindent
1275 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
1276 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
1277 $\alpha$-equivalence. The resulting
1278 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
1279 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
1280
1281 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
1282 following one, that is less readable but uses only the first phase.
1283 \begin{grafite}
1284   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
1285 \end{grafite}
1286 \noindent
1287
1288 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
1289 In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
1290 sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
1291 change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
1292
1293 \NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
1294 supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
1295 in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
1296 con una pattern\_of(select(pattern))}
1297
1298 \subsubsection{Comparison with \COQ{}}
1299 \COQ{} has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
1300 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
1301 a term occurrence.
1302
1303 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
1304 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
1305 the second is to prepare the sequent with another tactic called
1306 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
1307 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
1308 with pattern and do not accept directly this special syntax.
1309
1310 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
1311 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
1312 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
1313 to change only the left part of the equivalence, the correct command
1314 is
1315 \begin{grafite}
1316   change n at 2 in H with (O + n)
1317 \end{grafite} 
1318 \noindent
1319 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
1320 second we encounter proceeding from left toright.
1321
1322 The tactic pattern computes a
1323 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
1324 occurrences of the given term. In the previous example the following
1325 command
1326 \begin{grafite}
1327   pattern n at 2 in H
1328 \end{grafite}
1329 \noindent
1330 would have resulted in this sequent
1331 \begin{grafite}
1332   n : nat
1333   m : nat
1334   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
1335   ============================
1336    m = 0
1337 \end{grafite}
1338 \noindent
1339 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
1340 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
1341 the head of the application (since the unification is essentially
1342 first-order) but normally operate on the arguments. 
1343 This works for some tactics, like rewrite and replace,
1344 but for example not for change and other tactics that do not relay on
1345 unification. 
1346
1347 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
1348 from the idea behind patterns, but really fails in extending to
1349 complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
1350 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
1351 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
1352 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
1353 only way to tell the system exactly what you want to do. 
1354
1355 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
1356 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
1357 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
1358
1359
1360 \subsection{Tacticals}
1361 There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
1362 proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
1363 aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
1364 will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
1365 issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
1366 them.
1367
1368 \subsubsection{Tacticals overview}
1369
1370 Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
1371 constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
1372 The following simple example shows three tacticals in action
1373 \begin{grafite}
1374 theorem trivial: 
1375   \forall A,B:Prop. 
1376     A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
1377   intros (A B H).
1378   split; intro; 
1379     [ rewrite < H. assumption.
1380     | rewrite > H. assumption.
1381     ]
1382 qed.
1383 \end{grafite}
1384
1385 The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
1386 with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
1387 former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
1388 we have two goals, the two sides of the logic and).
1389 The first goal $B$ (with $A$ in the context)
1390 is proved by the first sequence of tactics
1391 \texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
1392 goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
1393 is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
1394 first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
1395 them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
1396 not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
1397 delimiter of commands the proof assistant executes).
1398
1399 Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
1400 to read without the interactive tool. To help the reader in
1401 understanding the following considerations we just give few common
1402 usage examples without a proof context.
1403
1404 \begin{grafite}
1405   elim z; try assumption; [ ... | ... ].
1406   elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
1407 \end{grafite}
1408
1409 The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
1410 the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
1411 \texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
1412 trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
1413 The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
1414 close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
1415 tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
1416 that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
1417
1418 Note that in the common implementation of tacticals both lines are
1419 compositions of tacticals and in particular they are a single
1420 statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
1421 grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
1422 this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
1423 a single statement.
1424
1425 \subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
1426 We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
1427 maintainability and readability. 
1428
1429 Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
1430 compatibility is a really time consuming task. \\
1431 A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
1432 goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
1433 were not opening goals in the expected order. In particular the
1434 \texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
1435 $c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
1436 \ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
1437 but some theorems about integers were there. The inductive type of
1438 $\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
1439 induction proofs on this type where written without tacticals and,
1440 obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
1441 Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
1442 work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
1443 finding the list of tactics used to prove the third induction case and
1444 swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
1445 the proofs was structured with the branch tactical this task could
1446 have been done automatically. 
1447
1448 From this experience we learned that the use of tacticals for
1449 structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
1450 proof script readability. We must highlight that proof scripts
1451 readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
1452 can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
1453 scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
1454 for two different theorems to have the same proof script (while the
1455 proof is completely different).\\
1456 Bad readability is not a big deal for the user while he is
1457 constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
1458 reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
1459 workaround commonly used to read a script is to execute it again
1460 step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
1461 follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
1462 compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
1463 is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
1464 steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
1465 over the two goals (respectively the left and right part of the logic
1466 and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
1467 anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
1468 ``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
1469
1470 Now we can understand the tradeoff between script readability and
1471 proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
1472 scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
1473 they are executed.
1474
1475 \MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
1476 this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
1477 making it impossible to read them again.
1478
1479 \subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
1480
1481 \begin{table}
1482  \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
1483 \hrule
1484 \[
1485 \begin{array}{@{}rcll@{}}
1486   \NT{punctuation} & 
1487     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
1488   \NT{block\_kind} & 
1489     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
1490   \NT{block\_delimiter} & 
1491     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
1492   \NT{tactical} & 
1493     ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
1494 \end{array}
1495 \]
1496 \hrule
1497 \end{table}
1498
1499 \MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
1500 While one would expect to find structured constructs like 
1501 $\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
1502 This is essential for base idea behind \MATITA{} tacticals: step-by-step
1503 execution.
1504
1505 The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
1506 execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
1507 not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
1508 even being a so simple idea:
1509 \begin{description}
1510 \item[Proof structuring] 
1511   is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
1512   are using classical tacticals in one of the state of the
1513   art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or \COQIDE.
1514   After applying the induction principle you have to choose: structure
1515   the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
1516   ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
1517   ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
1518   You can replace most of the cases by the identity tactic just to
1519   concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
1520   one further every time you add something inside the tactical. Again this is
1521   caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
1522   the already executed script you have to undo one step.
1523   And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
1524   the proof and write a plain list of tactics.\\
1525   With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
1526   open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
1527   system reaching a proof of the first case, without having to specify any
1528   tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
1529   close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
1530   structured proof. \\
1531   While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
1532   choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
1533   the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
1534   
1535 \item[Rereading]
1536   is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
1537   again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
1538   suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
1539   induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
1540   step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
1541   temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
1542   branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
1543   the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
1544   not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
1545   goal) gives you the feeling of what is going on.
1546 \end{description}
1547
1548 \section{The \MATITA{} library}
1549
1550 \MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{}
1551 can be read, checked and referenced in further developments. 
1552 However, in order to test the actual usability of the system, a
1553 new library of results has been started from scratch. In this case, 
1554 of course, we wrote (and offer) the source script files, 
1555 while, in the case of \COQ, \MATITA{} may only rely on XML files of
1556 \COQ{} objects. 
1557 The current library just comprises about one thousand theorems in 
1558 elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
1559 Eulers' totient function $\phi$.
1560 The library is organized in five main directories: $logic$ (connectives,
1561 quantifiers, equality, $\dots$), $datatypes$ (basic datatypes and type 
1562 constructors), $nat$ (natural numbers), $Z$ (integers), $Q$ (rationals).
1563 The most complex development is $nat$, organized in 25 scripts, listed
1564 in Figure\ref{scripts}
1565 \begin{figure}[htb]
1566 $\begin{array}{lll}
1567 nat.ma    & plus.ma & times.ma  \\
1568 minus.ma  & exp.ma  & compare.ma \\
1569 orders.ma & le\_arith.ma &  lt\_arith.ma \\   
1570 factorial.ma & sigma\_and\_pi.ma & minimization.ma  \\
1571 div\_and\_mod.ma & gcd.ma & congruence.ma \\
1572 primes.ma & nth\_prime.ma & ord.ma\\
1573 count.ma  & relevant\_equations.ma & permutation.ma \\ 
1574 factorization.ma & chinese\_reminder.ma & fermat\_little\_th.ma \\     
1575 totient.ma& & \\
1576 \end{array}$
1577 \caption{\label{scripts}\MATITA{} scripts on natural numbers}
1578 \end{figure}
1579
1580 We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
1581 as most of the systems do. On the contary we are currently
1582 developing wiki-technologies to support a collaborative 
1583 development of the library, encouraging people to expand, 
1584 modify and elaborate previous contributions.
1585
1586 \section{Conclusions}
1587
1588 \acknowledgements
1589 We would like to thank all the students that during the past
1590 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
1591 the development of \MATITA{}, and in particular
1592 M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
1593 and V.~Tamburrelli.
1594
1595 \theendnotes
1596
1597 \bibliography{matita}
1598
1599 \end{document}
1600