matita/library/Fsub/defn.ma

   1 (**************************************************************************)
   2 (*       ___                                                              *)
   3 (*      ||M||                                                             *)
   4 (*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
   5 (*      ||T||                                                             *)
   6 (*      ||I||       Developers:                                           *)
   7 (*      ||T||         The HELM team.                                      *)
   8 (*      ||A||         http://helm.cs.unibo.it                             *)
   9 (*      \   /                                                             *)
  10 (*       \ /        This file is distributed under the terms of the       *)
  11 (*        v         GNU General Public License Version 2                  *)
  12 (*                                                                        *)
  13 (**************************************************************************)
  14
  15 set "baseuri" "cic:/matita/Fsub/defn".
  16 include "logic/equality.ma".
  17 include "nat/nat.ma".
  18 include "datatypes/bool.ma".
  19 include "nat/compare.ma".
  20 include "list/list.ma".
  21 include "Fsub/util.ma".
  22
  23 (*** representation of Fsub types ***)
  24 inductive Typ : Set \def
  25   | TVar : nat \to Typ            (* type var *)
  26   | TFree: nat \to Typ            (* free type name *)
  27   | Top : Typ                     (* maximum type *)
  28   | Arrow : Typ \to Typ \to Typ   (* functions *)
  29   | Forall : Typ \to Typ \to Typ. (* universal type *)
  30
  31 (*** representation of Fsub terms ***)
  32 inductive Term : Set \def
  33   | Var : nat \to Term            (* variable *)
  34   | Free : nat \to Term          (* free name *)
  35   | Abs : Typ \to Term \to Term   (* abstraction *)
  36   | App : Term \to Term \to Term  (* function application *)
  37   | TAbs : Typ \to Term \to Term  (* type abstraction *)
  38   | TApp : Term \to Typ \to Term. (* type application *)
  39
  40 (* representation of bounds *)
  41
  42 record bound : Set \def {
  43                           istype : bool;    (* is subtyping bound? *)
  44                           name   : nat ;    (* name *)
  45                           btype  : Typ      (* type to which the name is bound *)
  46                         }.
  47
  48 (* representation of Fsub typing environments *)
  49 definition Env \def (list bound).
  50 definition Empty \def (nil bound).
  51 definition Cons \def \lambda G,X,T.((mk_bound false X T) :: G).
  52 definition TCons \def \lambda G,X,T.((mk_bound true X T) :: G).
  53
  54 definition env_append : Env \to Env \to Env \def \lambda G,H.(H @ G).
  55
  56 (* notation "hvbox(\Forall S. break T)"
  57   non associative with precedence 90
  58 for @{ 'forall $S $T}.
  59
  60 notation "hvbox(#x)"
  61   with precedence 60
  62   for @{'var $x}.
  63
  64 notation "hvbox(##x)"
  65   with precedence 61
  66   for @{'tvar $x}.
  67
  68 notation "hvbox(!x)"
  69   with precedence 60
  70   for @{'name $x}.
  71
  72 notation "hvbox(!!x)"
  73   with precedence 61
  74   for @{'tname $x}.
  75
  76 notation "hvbox(s break \mapsto t)"
  77   right associative with precedence 55
  78   for @{ 'arrow $s $t }.
  79
  80 interpretation "universal type" 'forall S T = (cic:/matita/Fsub/defn/Typ.ind#xpointer(1/1/5) S T).
  81
  82 interpretation "bound var" 'var x = (cic:/matita/Fsub/defn/Typ.ind#xpointer(1/1/1) x).
  83
  84 interpretation "bound tvar" 'tvar x = (cic:/matita/Fsub/defn/Typ.ind#xpointer(1/1/3) x).
  85
  86 interpretation "bound tname" 'tname x = (cic:/matita/Fsub/defn/Typ.ind#xpointer(1/1/2) x).
  87
  88 interpretation "arrow type" 'arrow S T = (cic:/matita/Fsub/defn/Typ.ind#xpointer(1/1/4) S T). *)
  89
  90 (*** Various kinds of substitution, not all will be used probably ***)
  91
  92 (* substitutes i-th dangling index in type T with type U *)
  93 let rec subst_type_nat T U i \def
  94     match T with
  95     [ (TVar n) \Rightarrow match (eqb n i) with
  96       [ true \Rightarrow U
  97       | false \Rightarrow T]
  98     | (TFree X) \Rightarrow T
  99     | Top \Rightarrow T
 100     | (Arrow T1 T2) \Rightarrow (Arrow (subst_type_nat T1 U i) (subst_type_nat T2 U i))
 101     | (Forall T1 T2) \Rightarrow (Forall (subst_type_nat T1 U i) (subst_type_nat T2 U (S i))) ].
 102
 103 (* substitutes 0-th dangling index in type T with type U *)
 104 let rec subst_type_O T U  \def subst_type_nat T U O.
 105
 106 (* substitutes 0-th dangling index in term t with term u *)
 107 let rec subst_term_O t u  \def
 108   let rec aux t0 i \def
 109     match t0 with
 110     [ (Var n) \Rightarrow match (eqb n i) with
 111       [ true \Rightarrow u
 112       | false \Rightarrow t0]
 113     | (Free X) \Rightarrow t0
 114     | (Abs T1 t1) \Rightarrow (Abs T1 (aux t1 (S i)))
 115     | (App t1 t2) \Rightarrow (App (aux t1 i) (aux t2 i))
 116     | (TAbs T1 t1) \Rightarrow (TAbs T1 (aux t1 (S i)))
 117     | (TApp t1 T1) \Rightarrow (TApp (aux t1 i) T1) ]
 118   in aux t O.
 119
 120 (* substitutes 0-th dangling index in term T, which shall be a TVar,
 121    with type U *)
 122 let rec subst_term_tO t T  \def
 123   let rec aux t0 i \def
 124     match t0 with
 125     [ (Var n) \Rightarrow t0
 126     | (Free X) \Rightarrow t0
 127     | (Abs T1 t1) \Rightarrow (Abs (subst_type_nat T1 T i) (aux t1 (S i)))
 128     | (App t1 t2) \Rightarrow (App (aux t1 i) (aux t2 i))
 129     | (TAbs T1 t1) \Rightarrow (TAbs (subst_type_nat T1 T i) (aux t1 (S i)))
 130     | (TApp t1 T1) \Rightarrow (TApp (aux t1 i) (subst_type_nat T1 T i)) ]
 131   in aux t O.
 132
 133 (* substitutes (TFree X) in type T with type U *)
 134 let rec subst_type_tfree_type T X U on T \def
 135   match T with
 136     [ (TVar n) \Rightarrow T
 137     | (TFree Y) \Rightarrow match (eqb X Y) with
 138       [ true \Rightarrow U
 139       | false \Rightarrow T ]
 140     | Top \Rightarrow T
 141     | (Arrow T1 T2) \Rightarrow (Arrow (subst_type_tfree_type T1 X U)
 142                                        (subst_type_tfree_type T2 X U))
 143     | (Forall T1 T2) \Rightarrow (Forall (subst_type_tfree_type T1 X U)
 144                                        (subst_type_tfree_type T2 X U)) ].
 145
 146 (*** height of T's syntactic tree ***)
 147
 148 let rec t_len T \def
 149   match T with
 150      [(TVar n) \Rightarrow (S O)
 151      |(TFree X) \Rightarrow (S O)
 152      |Top \Rightarrow (S O)
 153      |(Arrow T1 T2) \Rightarrow (S (max (t_len T1) (t_len T2)))
 154      |(Forall T1 T2) \Rightarrow (S (max (t_len T1) (t_len T2)))].
 155
 156 definition head \def
 157   \lambda G:(list bound).match G with
 158     [ nil \Rightarrow (mk_bound false O Top)
 159     | (cons b H) \Rightarrow b].
 160
 161 definition head_nat \def
 162   \lambda G:(list nat).match G with
 163     [ nil \Rightarrow O
 164     | (cons n H) \Rightarrow n].
 165
 166 (*** definitions about lists ***)
 167
 168 (* var binding is in env judgement *)
 169 definition var_bind_in_env : bound \to Env \to Prop \def
 170   \lambda b,G.(in_list bound b G).
 171
 172 definition fv_env : (list bound) \to (list nat) \def
 173   \lambda G.(map ? ? (\lambda b.match b with
 174       [(mk_bound B X T) \Rightarrow X]) G).
 175
 176 (* variable is in env judgement *)
 177 definition var_in_env : nat \to Env \to Prop \def
 178   \lambda x,G.(in_list nat x (fv_env G)).
 179
 180 definition var_type_in_env : nat \to Env \to Prop \def
 181   \lambda x,G.\exists T.(var_bind_in_env (mk_bound true x T) G).
 182
 183 let rec fv_type T \def
 184   match T with
 185     [(TVar n) \Rightarrow []
 186     |(TFree x) \Rightarrow [x]
 187     |Top \Rightarrow []
 188     |(Arrow U V) \Rightarrow ((fv_type U) @ (fv_type V))
 189     |(Forall U V) \Rightarrow ((fv_type U) @ (fv_type V))].
 190
 191 (*** Type Well-Formedness judgement ***)
 192
 193 inductive WFType : Env \to Typ \to Prop \def
 194   | WFT_TFree : \forall X,G.(in_list ? X (fv_env G))
 195                 \to (WFType G (TFree X))
 196   | WFT_Top : \forall G.(WFType G Top)
 197   | WFT_Arrow : \forall G,T,U.(WFType G T) \to (WFType G U) \to
 198                 (WFType G (Arrow T U))
 199   | WFT_Forall : \forall G,T,U.(WFType G T) \to
 200                  (\forall X:nat.
 201                     (\lnot (in_list ? X (fv_env G))) \to
 202                     (\lnot (in_list ? X (fv_type U))) \to
 203                     (WFType ((mk_bound true X T) :: G)
 204                        (subst_type_O U (TFree X)))) \to
 205                  (WFType G (Forall T U)).
 206
 207 (*** Environment Well-Formedness judgement ***)
 208
 209 inductive WFEnv : Env \to Prop \def
 210   | WFE_Empty : (WFEnv Empty)
 211   | WFE_cons : \forall B,X,T,G.(WFEnv G) \to
 212                \lnot (in_list ? X (fv_env G)) \to
 213                   (WFType G T) \to (WFEnv ((mk_bound B X T) :: G)).
 214
 215 (*** Subtyping judgement ***)
 216 inductive JSubtype : Env \to Typ \to Typ \to Prop \def
 217   | SA_Top : \forall G:Env.\forall T:Typ.(WFEnv G) \to
 218              (WFType G T) \to (JSubtype G T Top)
 219   | SA_Refl_TVar : \forall G:Env.\forall X:nat.(WFEnv G) \to (var_in_env X G)
 220                    \to (JSubtype G (TFree X) (TFree X))
 221   | SA_Trans_TVar : \forall G:Env.\forall X:nat.\forall T:Typ.
 222                     \forall U:Typ.
 223                     (var_bind_in_env (mk_bound true X U) G) \to
 224                     (JSubtype G U T) \to (JSubtype G (TFree X) T)
 225   | SA_Arrow : \forall G:Env.\forall S1,S2,T1,T2:Typ.
 226                (JSubtype G T1 S1) \to (JSubtype G S2 T2) \to
 227                (JSubtype G (Arrow S1 S2) (Arrow T1 T2))
 228   | SA_All : \forall G:Env.\forall S1,S2,T1,T2:Typ.
 229              (JSubtype G T1 S1) \to
 230              (\forall X:nat.\lnot (var_in_env X G) \to
 231                 (JSubtype ((mk_bound true X T1) :: G)
 232                    (subst_type_O S2 (TFree X)) (subst_type_O T2 (TFree X)))) \to
 233              (JSubtype G (Forall S1 S2) (Forall T1 T2)).
 234
 235 (*** Typing judgement ***)
 236 inductive JType : Env \to Term \to Typ \to Prop \def
 237   | T_Var : \forall G:Env.\forall x:nat.\forall T:Typ.
 238             (WFEnv G) \to (var_bind_in_env (mk_bound false x T) G) \to
 239             (JType G (Free x) T)
 240   | T_Abs : \forall G.\forall T1,T2:Typ.\forall t2:Term.
 241             \forall x:nat.
 242             (JType ((mk_bound false x T1)::G) (subst_term_O t2 (Free x)) T2) \to
 243             (JType G (Abs T1 t2) (Arrow T1 T2))
 244   | T_App : \forall G.\forall t1,t2:Term.\forall T2:Typ.
 245             \forall T1:Typ.(JType G t1 (Arrow T1 T2)) \to (JType G t2 T1) \to
 246             (JType G (App t1 t2) T2)
 247   | T_TAbs : \forall G:Env.\forall T1,T2:Typ.\forall t2:Term.
 248              \forall X:nat.
 249              (JType ((mk_bound true X T1)::G)
 250              (subst_term_tO t2 (TFree X)) (subst_type_O T2 (TFree X)))
 251              \to (JType G (TAbs T1 t2) (Forall T1 T2))
 252   | T_TApp : \forall G:Env.\forall t1:Term.\forall T2,T12:Typ.
 253              \forall X:nat.\forall T11:Typ.
 254              (JType G t1 (Forall T11 (subst_type_tfree_type T12 X (TVar O)))) \to
 255              (JSubtype G T2 T11)
 256              \to (JType G (TApp t1 T2) (subst_type_tfree_type T12 X T2))
 257   | T_Sub : \forall G:Env.\forall t:Term.\forall T:Typ.
 258             \forall S:Typ.(JType G t S) \to (JSubtype G S T) \to (JType G t T).
 259
 260 (****** PROOFS ********)
 261
 262 lemma subst_O_nat : \forall T,U.((subst_type_O T U) = (subst_type_nat T U O)).
 263 intros;elim T;simplify;reflexivity;
 264 qed.
 265
 266 (*** theorems about lists ***)
 267
 268 (* FIXME: these definitions shouldn't be part of the poplmark challenge
 269    - use destruct instead, when hopefully it will get fixed... *)
 270
 271 lemma inj_head : \forall h1,h2:bound.\forall t1,t2:Env.
 272                  ((h1::t1) = (h2::t2)) \to (h1 = h2).
 273 intros.
 274 lapply (eq_f ? ? head ? ? H).simplify in Hletin.assumption.
 275 qed.
 276
 277 lemma inj_head_nat : \forall h1,h2:nat.\forall t1,t2:(list nat).
 278                  ((h1::t1) = (h2::t2)) \to (h1 = h2).
 279 intros.
 280 lapply (eq_f ? ? head_nat ? ? H).simplify in Hletin.assumption.
 281 qed.
 282
 283 lemma inj_tail : \forall A.\forall h1,h2:A.\forall t1,t2:(list A).
 284                  ((h1::t1) = (h2::t2)) \to (t1 = t2).
 285 intros.lapply (eq_f ? ? (tail ?) ? ? H).simplify in Hletin.assumption.
 286 qed.
 287
 288 (* end of fixme *)
 289
 290 lemma boundinenv_natinfv : \forall x,G.
 291                               (\exists B,T.(in_list ? (mk_bound B x T) G)) \to
 292                               (in_list ? x (fv_env G)).
 293 intros 2;elim G
 294   [elim H;elim H1;lapply (in_list_nil ? ? H2);elim Hletin
 295   |elim H1;elim H2;inversion H3
 296      [intros;rewrite < H4;simplify;apply in_Base
 297      |intros;elim a3;simplify;apply in_Skip;
 298       lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H7);rewrite > Hletin in H;apply H;
 299       apply ex_intro
 300         [apply a
 301         |apply ex_intro
 302            [apply a1
 303            |rewrite > H6;assumption]]]]
 304 qed.
 305
 306 lemma nat_in_list_case : \forall G,H,n.(in_list nat n (H @ G)) \to
 307                                (in_list nat n G) \lor (in_list nat n H).
 308 intros 3.elim H
 309   [simplify in H1;left;assumption
 310   |simplify in H2;inversion H2
 311     [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H4);rewrite > Hletin;
 312      right;apply in_Base
 313     |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H6);rewrite < Hletin in H3;
 314      rewrite > H5 in H1;lapply (H1 H3);elim Hletin1
 315        [left;assumption|right;apply in_Skip;assumption]]]
 316 qed.
 317
 318 lemma natinG_or_inH_to_natinGH : \forall G,H,n.
 319                       (in_list nat n G) \lor (in_list nat n H) \to
 320                       (in_list nat n (H @ G)).
 321 intros.elim H1
 322   [elim H
 323      [simplify;assumption
 324      |simplify;apply in_Skip;assumption]
 325   |generalize in match H2;elim H2
 326      [simplify;apply in_Base
 327      |lapply (H4 H3);simplify;apply in_Skip;assumption]]
 328 qed.
 329
 330 lemma natinfv_boundinenv : \forall x,G.(in_list ? x (fv_env G)) \to
 331                               \exists B,T.(in_list ? (mk_bound B x T) G).
 332 intros 2;elim G 0
 333   [simplify;intro;lapply (in_list_nil ? ? H);elim Hletin
 334   |intros 3;elim t;simplify in H1;inversion H1
 335      [intros;rewrite < H2;simplify;apply ex_intro
 336         [apply b
 337         |apply ex_intro
 338            [apply t1
 339            |lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H3);rewrite > H2;rewrite < Hletin;
 340             apply in_Base]]
 341      |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H5);rewrite < Hletin in H2;
 342       rewrite < H4 in H2;lapply (H H2);elim Hletin1;elim H6;apply ex_intro
 343         [apply a2
 344         |apply ex_intro
 345            [apply a3
 346            |apply in_Skip;rewrite < H4;assumption]]]]
 347 qed.
 348
 349 theorem varinT_varinT_subst : \forall X,Y,T.
 350         (in_list ? X (fv_type T)) \to \forall n.
 351         (in_list ? X (fv_type (subst_type_nat T (TFree Y) n))).
 352 intros 3;elim T
 353   [simplify in H;elim (in_list_nil ? ? H)
 354   |simplify in H;simplify;assumption
 355   |simplify in H;elim (in_list_nil ? ? H)
 356   |simplify in H2;simplify;elim (nat_in_list_case ? ? ? H2);
 357    apply natinG_or_inH_to_natinGH;
 358      [left;apply (H1 H3)
 359      |right;apply (H H3)]
 360   |simplify in H2;simplify;elim (nat_in_list_case ? ? ? H2);
 361    apply natinG_or_inH_to_natinGH;
 362      [left;apply (H1 H3);
 363      |right;apply (H H3)]]
 364 qed.
 365
 366 lemma incl_bound_fv : \forall l1,l2.(incl ? l1 l2) \to
 367                          (incl ? (fv_env l1) (fv_env l2)).
 368 intros.unfold in H.unfold.intros.apply boundinenv_natinfv.
 369 lapply (natinfv_boundinenv ? ? H1).elim Hletin.elim H2.apply ex_intro
 370   [apply a
 371   |apply ex_intro
 372      [apply a1
 373      |apply (H ? H3)]]
 374 qed.
 375
 376 lemma incl_nat_cons : \forall x,l1,l2.
 377                   (incl nat l1 l2) \to (incl nat (x :: l1) (x :: l2)).
 378 intros.unfold in H.unfold.intros.inversion H1
 379   [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H3);rewrite > Hletin;apply in_Base
 380   |intros;apply in_Skip;apply H;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H5);rewrite > Hletin;
 381    assumption]
 382 qed.
 383
 384 lemma WFT_env_incl : \forall G,T.(WFType G T) \to
 385                      \forall H.(incl ? (fv_env G) (fv_env H)) \to (WFType H T).
 386 intros 3.elim H
 387   [apply WFT_TFree;unfold in H3;apply (H3 ? H1)
 388   |apply WFT_Top
 389   |apply WFT_Arrow [apply (H2 ? H6)|apply (H4 ? H6)]
 390   |apply WFT_Forall
 391      [apply (H2 ? H6)
 392      |intros;apply H4
 393         [unfold;intro;apply H7;apply(H6 ? H9)
 394         |assumption
 395         |simplify;apply (incl_nat_cons ? ? ? H6)]]]
 396 qed.
 397
 398 lemma fv_env_extends : \forall H,x,B,C,T,U,G.
 399                           (fv_env (H @ ((mk_bound B x T) :: G))) =
 400                           (fv_env (H @ ((mk_bound C x U) :: G))).
 401 intros;elim H
 402   [simplify;reflexivity
 403   |elim t;simplify;rewrite > H1;reflexivity]
 404 qed.
 405
 406 lemma lookup_env_extends : \forall G,H,B,C,D,T,U,V,x,y.
 407             (in_list ? (mk_bound D y V) (H @ ((mk_bound C x U) :: G))) \to
 408             (y \neq x) \to
 409             (in_list ? (mk_bound D y V) (H @ ((mk_bound B x T) :: G))).
 410 intros 10;elim H
 411   [simplify in H1;(*FIXME*)generalize in match H1;intro;inversion H1
 412      [intros;lapply (inj_head ? ? ? ? H5);rewrite < H4 in Hletin;
 413       destruct Hletin;absurd (y = x) [symmetry;assumption|assumption]
 414      |intros;simplify;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H7);rewrite > Hletin;
 415       apply in_Skip;assumption]
 416   |(*FIXME*)generalize in match H2;intro;inversion H2
 417      [intros;simplify in H6;lapply (inj_head ? ? ? ? H6);rewrite > Hletin;
 418       simplify;apply in_Base
 419      |simplify;intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H8);rewrite > Hletin in H1;
 420       rewrite > H7 in H1;apply in_Skip;apply (H1 H5 H3)]]
 421 qed.
 422
 423 lemma in_FV_subst : \forall x,T,U,n.(in_list ? x (fv_type T)) \to
 424                                 (in_list ? x (fv_type (subst_type_nat T U n))).
 425 intros 3;elim T
 426   [simplify in H;inversion H
 427      [intros;lapply (sym_eq ? ? ? H2);absurd (a::l = [])
 428         [assumption|apply nil_cons]
 429      |intros;lapply (sym_eq ? ? ? H4);absurd (a1::l = [])
 430         [assumption|apply nil_cons]]
 431   |2,3:simplify;simplify in H;assumption
 432   |*:simplify in H2;simplify;apply natinG_or_inH_to_natinGH;
 433    lapply (nat_in_list_case ? ? ? H2);elim Hletin
 434      [1,3:left;apply (H1 ? H3)
 435      |*:right;apply (H ? H3)]]
 436 qed.
 437
 438 (*** lemma on fresh names ***)
 439
 440 lemma fresh_name : \forall l:(list nat).\exists n.\lnot (in_list ? n l).
 441 cut (\forall l:(list nat).\exists n.\forall m.
 442         (n \leq m) \to \lnot (in_list ? m l))
 443   [intros;lapply (Hcut l);elim Hletin;apply ex_intro
 444      [apply a
 445      |apply H;constructor 1]
 446   |intros;elim l
 447     [apply ex_intro
 448        [apply O
 449        |intros;unfold;intro;inversion H1
 450           [intros;lapply (sym_eq ? ? ? H3);absurd (a::l1 = [])
 451              [assumption|apply nil_cons]
 452           |intros;lapply (sym_eq ? ? ? H5);absurd (a1::l1 = [])
 453              [assumption|apply nil_cons]]]
 454     |elim H;lapply (decidable_eq_nat a t);elim Hletin
 455        [apply ex_intro
 456           [apply (S a)
 457           |intros;unfold;intro;inversion H4
 458              [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H6);rewrite < Hletin1 in H5;
 459               rewrite < H2 in H5;rewrite > H5 in H3;
 460               apply (not_le_Sn_n ? H3)
 461              |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H8);rewrite < Hletin1 in H5;
 462               rewrite < H7 in H5;
 463               apply (H1 m ? H5);lapply (le_S ? ? H3);
 464               apply (le_S_S_to_le ? ? Hletin2)]]
 465        |cut ((leb a t) = true \lor (leb a t) = false)
 466           [elim Hcut
 467              [apply ex_intro
 468                 [apply (S t)
 469                 |intros;unfold;intro;inversion H5
 470                    [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H7);rewrite > H6 in H4;
 471                     rewrite < Hletin1 in H4;apply (not_le_Sn_n ? H4)
 472                    |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H9);
 473                     rewrite < Hletin1 in H6;lapply (H1 a1)
 474                       [apply (Hletin2 H6)
 475                       |lapply (leb_to_Prop a t);rewrite > H3 in Hletin2;
 476                        simplify in Hletin2;rewrite < H8;
 477                        apply (trans_le ? ? ? Hletin2);
 478                        apply (trans_le ? ? ? ? H4);constructor 2;constructor 1]]]
 479              |apply ex_intro
 480                 [apply a
 481                 |intros;lapply (leb_to_Prop a t);rewrite > H3 in Hletin1;
 482                  simplify in Hletin1;lapply (not_le_to_lt ? ? Hletin1);
 483                  unfold in Hletin2;unfold;intro;inversion H5
 484                    [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H7);
 485                     rewrite < Hletin3 in H6;rewrite > H6 in H4;
 486                     apply (Hletin1 H4)
 487                    |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H9);
 488                     rewrite < Hletin3 in H6;rewrite < H8 in H6;
 489                     apply (H1 ? H4 H6)]]]
 490           |elim (leb a t);autobatch]]]]
 491 qed.
 492
 493 (*** lemmata on well-formedness ***)
 494
 495 lemma fv_WFT : \forall T,x,G.(WFType G T) \to (in_list ? x (fv_type T)) \to
 496                   (in_list ? x (fv_env G)).
 497 intros 4.elim H
 498   [simplify in H2;inversion H2
 499      [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H4);rewrite < Hletin;assumption
 500      |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H6);rewrite < Hletin in H3;
 501       inversion H3
 502         [intros;lapply (sym_eq ? ? ? H8);absurd (a2 :: l2 = [])
 503            [assumption|apply nil_cons]
 504         |intros;lapply (sym_eq ? ? ? H10);
 505             absurd (a3 :: l2 = []) [assumption|apply nil_cons]]]
 506   |simplify in H1;lapply (in_list_nil ? x H1);elim Hletin
 507   |simplify in H5;lapply (nat_in_list_case ? ? ? H5);elim Hletin
 508      [apply (H4 H6)
 509      |apply (H2 H6)]
 510   |simplify in H5;lapply (nat_in_list_case ? ? ? H5);elim Hletin
 511      [lapply (fresh_name ((fv_type t1) @ (fv_env e)));elim Hletin1;
 512       cut ((\lnot (in_list ? a (fv_type t1))) \land
 513            (\lnot (in_list ? a (fv_env e))))
 514         [elim Hcut;lapply (H4 ? H9 H8)
 515            [cut (x \neq a)
 516               [simplify in Hletin2;
 517                (* FIXME trick *);generalize in match Hletin2;intro;
 518                inversion Hletin2
 519                  [intros;lapply (inj_head_nat ? ? ? ? H12);
 520                   rewrite < Hletin3 in H11;lapply (Hcut1 H11);elim Hletin4
 521                  |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H14);rewrite > Hletin3;
 522                   assumption]
 523               |unfold;intro;apply H8;rewrite < H10;assumption]
 524            |rewrite > subst_O_nat;apply in_FV_subst;assumption]
 525         |split
 526            [unfold;intro;apply H7;apply natinG_or_inH_to_natinGH;right;
 527             assumption
 528            |unfold;intro;apply H7;apply natinG_or_inH_to_natinGH;left;
 529             assumption]]
 530      |apply (H2 H6)]]
 531 qed.
 532
 533 (*** some exotic inductions and related lemmas ***)
 534
 535 lemma not_t_len_lt_SO : \forall T.\lnot (t_len T) < (S O).
 536 intros;elim T
 537   [1,2,3:simplify;unfold;intro;unfold in H;elim (not_le_Sn_n ? H)
 538   |*:simplify;unfold;rewrite > max_case;elim (leb (t_len t) (t_len t1))
 539      [1,3:simplify in H2;apply H1;apply (trans_lt ? ? ? ? H2);unfold;constructor 1
 540      |*:simplify in H2;apply H;apply (trans_lt ? ? ? ? H2);unfold;constructor 1]]
 541 qed.
 542
 543 lemma Typ_len_ind : \forall P:Typ \to Prop.
 544                        (\forall U.(\forall V.((t_len V) < (t_len U)) \to (P V))
 545                            \to (P U))
 546                        \to \forall T.(P T).
 547 cut (\forall P:Typ \to Prop.
 548         (\forall U.(\forall V.((t_len V) < (t_len U)) \to (P V))
 549             \to (P U))
 550         \to \forall T,n.(n = (t_len T)) \to (P T))
 551   [intros;apply (Hcut ? H ? (t_len T));reflexivity
 552   |intros 4;generalize in match T;apply (nat_elim1 n);intros;
 553    generalize in match H2;elim t
 554      [1,2,3:apply H;intros;simplify in H4;elim (not_t_len_lt_SO ? H4)
 555      |*:apply H;intros;apply (H1 (t_len V))
 556         [1,3:rewrite > H5;assumption
 557         |*:reflexivity]]]
 558 qed.
 559
 560 lemma t_len_arrow1 : \forall T1,T2.(t_len T1) < (t_len (Arrow T1 T2)).
 561 intros.simplify.
 562 (* FIXME!!! BUG?!?! *)
 563 cut ((max (t_len T1) (t_len T2)) = match (leb (t_len T1) (t_len T2)) with
 564       [ false \Rightarrow (t_len T2)
 565       | true \Rightarrow (t_len T1) ])
 566   [rewrite > Hcut;cut ((leb (t_len T1) (t_len T2)) = false \lor
 567                        (leb (t_len T1) (t_len T2)) = true)
 568      [lapply (leb_to_Prop (t_len T1) (t_len T2));elim Hcut1
 569         [rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;constructor 1
 570         |rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;simplify in Hletin;
 571          unfold;apply le_S_S;assumption]
 572      |elim (leb (t_len T1) (t_len T2));autobatch]
 573   |elim T1;simplify;reflexivity]
 574 qed.
 575
 576 lemma t_len_arrow2 : \forall T1,T2.(t_len T2) < (t_len (Arrow T1 T2)).
 577 intros.simplify.
 578 (* FIXME!!! BUG?!?! *)
 579 cut ((max (t_len T1) (t_len T2)) = match (leb (t_len T1) (t_len T2)) with
 580       [ false \Rightarrow (t_len T2)
 581       | true \Rightarrow (t_len T1) ])
 582   [rewrite > Hcut;cut ((leb (t_len T1) (t_len T2)) = false \lor
 583                        (leb (t_len T1) (t_len T2)) = true)
 584      [lapply (leb_to_Prop (t_len T1) (t_len T2));elim Hcut1
 585         [rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;simplify in Hletin;
 586          lapply (not_le_to_lt ? ? Hletin);unfold in Hletin1;unfold;
 587          constructor 2;assumption
 588         |rewrite > H;simplify;unfold;constructor 1]
 589      |elim (leb (t_len T1) (t_len T2));autobatch]
 590   |elim T1;simplify;reflexivity]
 591 qed.
 592
 593 lemma t_len_forall1 : \forall T1,T2.(t_len T1) < (t_len (Forall T1 T2)).
 594 intros.simplify.
 595 (* FIXME!!! BUG?!?! *)
 596 cut ((max (t_len T1) (t_len T2)) = match (leb (t_len T1) (t_len T2)) with
 597       [ false \Rightarrow (t_len T2)
 598       | true \Rightarrow (t_len T1) ])
 599   [rewrite > Hcut;cut ((leb (t_len T1) (t_len T2)) = false \lor
 600                        (leb (t_len T1) (t_len T2)) = true)
 601      [lapply (leb_to_Prop (t_len T1) (t_len T2));elim Hcut1
 602         [rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;constructor 1
 603         |rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;simplify in Hletin;
 604          unfold;apply le_S_S;assumption]
 605      |elim (leb (t_len T1) (t_len T2));autobatch]
 606   |elim T1;simplify;reflexivity]
 607 qed.
 608
 609 lemma t_len_forall2 : \forall T1,T2.(t_len T2) < (t_len (Forall T1 T2)).
 610 intros.simplify.
 611 (* FIXME!!! BUG?!?! *)
 612 cut ((max (t_len T1) (t_len T2)) = match (leb (t_len T1) (t_len T2)) with
 613       [ false \Rightarrow (t_len T2)
 614       | true \Rightarrow (t_len T1) ])
 615   [rewrite > Hcut;cut ((leb (t_len T1) (t_len T2)) = false \lor
 616                        (leb (t_len T1) (t_len T2)) = true)
 617      [lapply (leb_to_Prop (t_len T1) (t_len T2));elim Hcut1
 618         [rewrite > H;rewrite > H in Hletin;simplify;simplify in Hletin;
 619          lapply (not_le_to_lt ? ? Hletin);unfold in Hletin1;unfold;
 620          constructor 2;assumption
 621         |rewrite > H;simplify;unfold;constructor 1]
 622      |elim (leb (t_len T1) (t_len T2));autobatch]
 623   |elim T1;simplify;reflexivity]
 624 qed.
 625
 626 lemma eq_t_len_TFree_subst : \forall T,n,X.(t_len T) =
 627                                          (t_len (subst_type_nat T (TFree X) n)).
 628 intro.elim T
 629   [simplify;elim (eqb n n1);simplify;reflexivity
 630   |2,3:simplify;reflexivity
 631   |simplify;lapply (H n X);lapply (H1 n X);rewrite < Hletin;rewrite < Hletin1;
 632    reflexivity
 633   |simplify;lapply (H n X);lapply (H1 (S n) X);rewrite < Hletin;
 634    rewrite < Hletin1;reflexivity]
 635 qed.
 636
 637 (*** lemmata relating subtyping and well-formedness ***)
 638
 639 lemma JS_to_WFE : \forall G,T,U.(JSubtype G T U) \to (WFEnv G).
 640 intros;elim H;assumption.
 641 qed.
 642
 643 lemma JS_to_WFT : \forall G,T,U.(JSubtype G T U) \to ((WFType G T) \land
 644                                                       (WFType G U)).
 645 intros;elim H
 646   [split [assumption|apply WFT_Top]
 647   |split;apply WFT_TFree;assumption
 648   |split
 649      [apply WFT_TFree;apply boundinenv_natinfv;apply ex_intro
 650         [apply true | apply ex_intro [apply t1 |assumption]]
 651      |elim H3;assumption]
 652   |elim H2;elim H4;split;apply WFT_Arrow;assumption
 653   |elim H2;split
 654      [apply (WFT_Forall ? ? ? H6);intros;elim (H4 X H7);
 655       apply (WFT_env_incl ? ? H9);simplify;unfold;intros;assumption
 656      |apply (WFT_Forall ? ? ? H5);intros;elim (H4 X H7);
 657       apply (WFT_env_incl ? ? H10);simplify;unfold;intros;assumption]]
 658 qed.
 659
 660 lemma JS_to_WFT1 : \forall G,T,U.(JSubtype G T U) \to (WFType G T).
 661 intros;lapply (JS_to_WFT ? ? ? H);elim Hletin;assumption.
 662 qed.
 663
 664 lemma JS_to_WFT2 : \forall G,T,U.(JSubtype G T U) \to (WFType G U).
 665 intros;lapply (JS_to_WFT ? ? ? H);elim Hletin;assumption.
 666 qed.
 667
 668 lemma WFE_Typ_subst : \forall H,x,B,C,T,U,G.
 669                       (WFEnv (H @ ((mk_bound B x T) :: G))) \to (WFType G U) \to
 670                       (WFEnv (H @ ((mk_bound C x U) :: G))).
 671 intros 7;elim H 0
 672   [simplify;intros;(*FIXME*)generalize in match H1;intro;inversion H1
 673      [intros;lapply (nil_cons ? G (mk_bound B x T));lapply (Hletin H4);
 674       elim Hletin1
 675      |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H8);lapply (inj_head ? ? ? ? H8);
 676       destruct Hletin1;rewrite < Hletin in H6;rewrite < Hletin in H4;
 677       rewrite < Hcut1 in H6;apply (WFE_cons ? ? ? ? H4 H6 H2)]
 678   |intros;simplify;generalize in match H2;elim t;simplify in H4;
 679    inversion H4
 680      [intros;absurd (mk_bound b n t1::l@(mk_bound B x T::G)=Empty)
 681         [assumption
 682         |apply nil_cons]
 683      |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H9);lapply (inj_head ? ? ? ? H9);
 684       destruct Hletin1;apply WFE_cons
 685         [apply H1
 686            [rewrite > Hletin;assumption
 687            |assumption]
 688         |rewrite > Hcut1;generalize in match H7;rewrite < Hletin;
 689          rewrite > (fv_env_extends ? x B C T U);intro;assumption
 690         |rewrite < Hletin in H8;rewrite > Hcut2;
 691          apply (WFT_env_incl ? ? H8);rewrite > (fv_env_extends ? x B C T U);
 692          unfold;intros;assumption]]]
 693 qed.
 694
 695 lemma WFE_bound_bound : \forall B,x,T,U,G. (WFEnv G) \to
 696                                   (in_list ? (mk_bound B x T) G) \to
 697                                   (in_list ? (mk_bound B x U) G) \to T = U.
 698 intros 6;elim H
 699   [lapply (in_list_nil ? ? H1);elim Hletin
 700   |inversion H6
 701      [intros;rewrite < H7 in H8;lapply (inj_head ? ? ? ? H8);
 702       rewrite > Hletin in H5;inversion H5
 703         [intros;rewrite < H9 in H10;lapply (inj_head ? ? ? ? H10);
 704          destruct Hletin1;symmetry;assumption
 705         |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H12);rewrite < Hletin1 in H9;
 706          rewrite < H11 in H9;lapply (boundinenv_natinfv x e)
 707            [destruct Hletin;rewrite < Hcut1 in Hletin2;lapply (H3 Hletin2);
 708             elim Hletin3
 709            |apply ex_intro
 710               [apply B|apply ex_intro [apply T|assumption]]]]
 711      |intros;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H10);rewrite < H9 in H7;
 712       rewrite < Hletin in H7;(*FIXME*)generalize in match H5;intro;inversion H5
 713         [intros;rewrite < H12 in H13;lapply (inj_head ? ? ? ? H13);
 714          destruct Hletin1;rewrite < Hcut1 in H7;
 715          lapply (boundinenv_natinfv n e)
 716            [lapply (H3 Hletin2);elim Hletin3
 717            |apply ex_intro
 718               [apply B|apply ex_intro [apply U|assumption]]]
 719         |intros;apply (H2 ? H7);rewrite > H14;lapply (inj_tail ? ? ? ? ? H15);
 720          rewrite > Hletin1;assumption]]]
 721 qed.