matita/matita/lib/turing/multi_universal/unistep_aux.ma

   1 (*
   2     ||M||  This file is part of HELM, an Hypertextual, Electronic
   3     ||A||  Library of Mathematics, developed at the Computer Science
   4     ||T||  Department of the University of Bologna, Italy.
   5     ||I||
   6     ||T||
   7     ||A||
   8     \   /  This file is distributed under the terms of the
   9      \ /   GNU General Public License Version 2
  10       V_____________________________________________________________*)
  11
  12 include "turing/multi_universal/moves_2.ma".
  13 include "turing/multi_universal/match.ma".
  14 include "turing/multi_universal/copy.ma".
  15 include "turing/multi_universal/alphabet.ma".
  16 include "turing/multi_universal/tuples.ma".
  17
  18 (*
  19
  20   in.obj : ...  x ...
  21                 ^
  22   in.cfg : ...  ? ? ...
  23                     ^
  24
  25   out.cfg : ... 1 x ...
  26                   ^
  27
  28   ---------------------
  29   current (in.obj) = None
  30
  31   in.cfg : ...  ? ? ...
  32                     ^
  33
  34   out.cfg : ... 0 0 ...
  35                   ^
  36
  37   obj_to_cfg ≝
  38     move_l(cfg);
  39     move_l(cfg);
  40     (if (current(in.obj)) == None
  41        then write(0,cfg);
  42             move_r(cfg);
  43             write(0,cfg);
  44        else write(1,cfg);
  45             move_r(cfg);
  46             copy_step(obj,cfg);
  47             move_l(obj);)
  48     move_to_end_l(cfg);
  49     move_r(cfg);
  50
  51
  52   cfg_to_obj
  53 *)
  54
  55 definition obj ≝ (0:DeqNat).
  56 definition cfg ≝ (1:DeqNat).
  57 definition prg ≝ (2:DeqNat).
  58
  59 definition obj_to_cfg ≝
  60   mmove cfg FSUnialpha 2 L ·
  61   (ifTM ?? (inject_TM ? (test_null ?) 2 obj)
  62     (copy_step obj cfg FSUnialpha 2 ·
  63      mmove cfg FSUnialpha 2 L ·
  64      mmove obj FSUnialpha 2 L)
  65     (inject_TM ? (write FSUnialpha null) 2 cfg)
  66      tc_true) ·
  67   inject_TM ? (move_to_end FSUnialpha L) 2 cfg ·
  68   mmove cfg FSUnialpha 2 R.
  69
  70 definition R_obj_to_cfg ≝ λt1,t2:Vector (tape FSUnialpha) 3.
  71   ∀c,ls.
  72   nth cfg ? t1 (niltape ?) = mk_tape FSUnialpha (c::ls) (None ?) [ ] →
  73   (∀lso,x,rso.nth obj ? t1 (niltape ?) = midtape FSUnialpha lso x rso →
  74    t2 = change_vec ?? t1
  75          (mk_tape ? [ ] (option_hd ? (reverse ? (x::ls))) (tail ? (reverse ? (x::ls)))) cfg) ∧
  76   (current ? (nth obj ? t1 (niltape ?)) = None ? →
  77    t2 = change_vec ?? t1
  78          (mk_tape ? [ ] (option_hd FSUnialpha (reverse ? (null::ls)))
  79            (tail ? (reverse ? (null::ls)))) cfg).
  80
  81 axiom sem_move_to_end_l : ∀sig. move_to_end sig L ⊨ R_move_to_end_l sig.
  82 axiom accRealize_to_Realize :
  83   ∀sig,n.∀M:mTM sig n.∀Rtrue,Rfalse,acc.
  84   M ⊨ [ acc: Rtrue, Rfalse ] →  M ⊨ Rtrue ∪ Rfalse.
  85
  86 lemma eq_mk_tape_rightof :
  87  ∀alpha,a,al.mk_tape alpha (a::al) (None ?) [ ] = rightof ? a al.
  88 #alpha #a #al %
  89 qed.
  90
  91 axiom daemon : ∀P:Prop.P.
  92
  93 definition option_cons ≝ λsig.λc:option sig.λl.
  94   match c with [ None ⇒ l | Some c0 ⇒ c0::l ].
  95
  96 lemma tape_move_mk_tape_R :
  97   ∀sig,ls,c,rs.
  98   (c = None ? → ls = [ ] ∨ rs = [ ]) →
  99   tape_move ? (mk_tape sig ls c rs) R =
 100   mk_tape ? (option_cons ? c ls) (option_hd ? rs) (tail ? rs).
 101 #sig * [ * [ * | #c * ] | #l0 #ls0 * [ *
 102 [| #r0 #rs0 #H @False_ind cases (H (refl ??)) #H1 destruct (H1) ] | #c * ] ]
 103 normalize //
 104 qed.
 105
 106 lemma sem_obj_to_cfg : obj_to_cfg ⊨  R_obj_to_cfg.
 107 @(sem_seq_app FSUnialpha 2 ????? (sem_move_multi ? 2 cfg L ?)
 108    (sem_seq ??????
 109     (sem_if ??????????
 110      (sem_test_null_multi ?? obj ?)
 111       (sem_seq ?????? (accRealize_to_Realize … (sem_copy_step …))
 112        (sem_seq ?????? (sem_move_multi ? 2 cfg L ?)
 113         (sem_move_multi ? 2 obj L ?)))
 114       (sem_inject ???? cfg ? (sem_write FSUnialpha null)))
 115      (sem_seq ?????? (sem_inject ???? cfg ? (sem_move_to_end_l ?))
 116        (sem_move_multi ? 2 cfg R ?)))) //
 117 #ta #tb *
 118 #tc * whd in ⊢ (%→?); #Htc *
 119 #td * *
 120 [ * #te * * #Hcurtc #Hte
 121   * destruct (Hte) #te * *
 122   [ whd in ⊢ (%→%→?); * #x * #y * * -Hcurtc #Hcurtc1 #Hcurtc2 #Hte
 123     * #tf * whd in ⊢ (%→%→?); #Htf #Htd
 124     * #tg * * * whd in ⊢ (%→%→%→%→?); #Htg1 #Htg2 #Htg3 #Htb
 125     #c #ls #Hta1 %
 126     [ #lso #x0 #rso #Hta2 >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof
 127       whd in match (tape_move ???); #Htc
 128       cut (tg = change_vec ?? td (mk_tape ? [ ] (None ?) (reverse ? ls@[x])) cfg)
 129       [@daemon] -Htg1 -Htg2 -Htg3 #Htg destruct (Htg Htf Hte Htd Htc Htb)
 130       >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec
 131       >change_vec_commute // >change_vec_change_vec
 132       >change_vec_commute [|@sym_not_eq //] >change_vec_change_vec
 133       >change_vec_commute // >change_vec_change_vec
 134       >nth_change_vec // >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 135       >nth_change_vec // >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 136       >change_vec_commute [|@sym_not_eq //] @eq_f3 //
 137       [ >Hta2 cases rso in Hta2; whd in match (tape_move_mono ???);
 138         [ #Hta2 whd in match (tape_move ???); <Hta2 @change_vec_same
 139         | #r1 #rs1 #Hta2 whd in match (tape_move ???); <Hta2 @change_vec_same ]
 140       | >tape_move_mk_tape_R [| #_ % %] >reverse_cons
 141         >nth_change_vec_neq in Hcurtc1; [|@sym_not_eq //] >Hta2
 142         normalize in ⊢ (%→?); #H destruct (H) %
 143       ]
 144     | #Hta2 >Htc in Hcurtc1; >nth_change_vec_neq [| @sym_not_eq //]
 145       >Hta2 #H destruct (H)
 146     ]
 147   | * #Hcurtc0 #Hte #_ #_ #c #ls #Hta1 >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof
 148     whd in match (tape_move ???); #Htc >Htc in Hcurtc0; *
 149     [ >Htc in Hcurtc; >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 150       #Hcurtc #Hcurtc0 >Hcurtc0 in Hcurtc; * #H @False_ind @H %
 151     | >nth_change_vec // normalize in ⊢ (%→?); #H destruct (H) ]
 152   ]
 153 | * #te * * #Hcurtc #Hte
 154   * whd in ⊢ (%→%→?); #Htd1 #Htd2
 155   * #tf * * * #Htf1 #Htf2 #Htf3 whd in ⊢ (%→?); #Htb
 156   #c #ls #Hta1 %
 157   [ #lso #x #rso #Hta2 >Htc in Hcurtc; >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 158     >Hta2 normalize in ⊢ (%→?); #H destruct (H)
 159   | #_ >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof whd in match (tape_move ???); #Htc
 160     destruct (Hte) cut (td = change_vec ?? tc (midtape ? ls null []) cfg)
 161     [@daemon] -Htd1 -Htd2 #Htd
 162     -Htf1 cut (tf = change_vec ?? td (mk_tape ? [ ] (None ?) (reverse ? ls@[null])) cfg)
 163     [@daemon] -Htf2 -Htf3 #Htf destruct (Htf Htd Htc Htb)
 164     >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec
 165     >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec >nth_change_vec //
 166     >reverse_cons >tape_move_mk_tape_R /2/ ]
 167 ]
 168 qed.
 169
 170 definition test_null_char ≝ test_char FSUnialpha (λc.c == null).
 171
 172 definition R_test_null_char_true ≝ λt1,t2.
 173   current FSUnialpha t1 = Some ? null ∧ t1 = t2.
 174
 175 definition R_test_null_char_false ≝ λt1,t2.
 176   current FSUnialpha t1 ≠ Some ? null ∧ t1 = t2.
 177
 178 lemma sem_test_null_char :
 179   test_null_char ⊨ [ tc_true : R_test_null_char_true, R_test_null_char_false].
 180 #t1 cases (sem_test_char FSUnialpha (λc.c == null) t1) #k * #outc * * #Hloop #Htrue
 181 #Hfalse %{k} %{outc} % [ %
 182 [ @Hloop
 183 | #Houtc cases (Htrue ?) [| @Houtc] * #c * #Hcurt1 #Hcnull lapply (\P Hcnull)
 184   -Hcnull #H destruct (H) #Houtc1 %
 185   [ @Hcurt1 | <Houtc1 % ] ]
 186 | #Houtc cases (Hfalse ?) [| @Houtc] #Hc #Houtc %
 187   [ % #Hcurt1 >Hcurt1 in Hc; #Hc lapply (Hc ? (refl ??))
 188     >(?:((null:FSUnialpha) == null) = true) [|@(\b (refl ??)) ]
 189     #H destruct (H)
 190   | <Houtc % ] ]
 191 qed.
 192
 193 definition cfg_to_obj ≝
 194   mmove cfg FSUnialpha 2 L ·
 195   (ifTM ?? (inject_TM ? test_null_char 2 cfg)
 196     (nop ? 2)
 197     (copy_step cfg obj FSUnialpha 2 ·
 198      mmove cfg FSUnialpha 2 L ·
 199      mmove obj FSUnialpha 2 L)
 200      tc_true) ·
 201   inject_TM ? (move_to_end FSUnialpha L) 2 cfg ·
 202   mmove cfg FSUnialpha 2 R.
 203
 204 definition R_cfg_to_obj ≝ λt1,t2:Vector (tape FSUnialpha) 3.
 205   ∀c,ls.
 206   nth cfg ? t1 (niltape ?) = mk_tape FSUnialpha (c::ls) (None ?) [ ] →
 207   (c = null →
 208    t2 = change_vec ?? t1
 209          (mk_tape ? [ ] (option_hd FSUnialpha (reverse ? (c::ls)))
 210            (tail ? (reverse ? (c::ls)))) cfg) ∧
 211   (c ≠ null →
 212    t2 = change_vec ??
 213           (change_vec ?? t1
 214              (midtape ? (left ? (nth obj ? t1 (niltape ?))) c (right ? (nth obj ? t1 (niltape ?)))) obj)
 215           (mk_tape ? [ ] (option_hd ? (reverse ? (c::ls))) (tail ? (reverse ? (c::ls)))) cfg).
 216
 217 axiom sem_cfg_to_obj : cfg_to_obj ⊨  R_cfg_to_obj.
 218 (*@(sem_seq_app FSUnialpha 2 ????? (sem_move_multi ? 2 cfg L ?)
 219    (sem_seq ??????
 220     (sem_if ??????????
 221      (sem_test_null_multi ?? obj ?)
 222       (sem_seq ?????? (accRealize_to_Realize … (sem_copy_step …))
 223        (sem_move_multi ? 2 cfg L ?))
 224       (sem_inject ???? cfg ? (sem_write FSUnialpha null)))
 225      (sem_seq ?????? (sem_inject ???? cfg ? (sem_move_to_end_l ?))
 226        (sem_move_multi ? 2 cfg R ?)))) //
 227 #ta #tb *
 228 #tc * whd in ⊢ (%→?); #Htc *
 229 #td * *
 230 [ * #te * * #Hcurtc #Hte
 231   * destruct (Hte) #te * *
 232   [ whd in ⊢ (%→%→?); * #x * #y * * -Hcurtc #Hcurtc1 #Hcurtc2 #Hte #Htd
 233     * #tf * * * whd in ⊢ (%→%→%→%→?); #Htf1 #Htf2 #Htf3 #Htb
 234     #c #ls #Hta1 %
 235     [ #lso #x0 #rso #Hta2 >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof
 236       whd in match (tape_move ???); #Htc
 237       cut (tf = change_vec ?? tc (mk_tape ? [ ] (None ?) (reverse ? ls@[x])) cfg)
 238       [@daemon] -Htf1 -Htf2 -Htf3 #Htf destruct (Htf Hte Htd Htc Htb)
 239       >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec
 240       >nth_change_vec // >tape_move_mk_tape_R
 241       @daemon
 242     | #Hta2 >Htc in Hcurtc1; >nth_change_vec_neq [| @sym_not_eq //]
 243       >Hta2 #H destruct (H)
 244     ]
 245   | * #Hcurtc0 #Hte #_ #_ #c #ls #Hta1 >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof
 246     whd in match (tape_move ???); #Htc >Htc in Hcurtc0; *
 247     [ >Htc in Hcurtc; >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 248       #Hcurtc #Hcurtc0 >Hcurtc0 in Hcurtc; * #H @False_ind @H %
 249     | >nth_change_vec // normalize in ⊢ (%→?); #H destruct (H) ]
 250   ]
 251 | * #te * * #Hcurtc #Hte
 252   * whd in ⊢ (%→%→?); #Htd1 #Htd2
 253   * #tf * * * #Htf1 #Htf2 #Htf3 whd in ⊢ (%→?); #Htb
 254   #c #ls #Hta1 %
 255   [ #lso #x #rso #Hta2 >Htc in Hcurtc; >nth_change_vec_neq [|@sym_not_eq //]
 256     >Hta2 normalize in ⊢ (%→?); #H destruct (H)
 257   | #_ >Hta1 in Htc; >eq_mk_tape_rightof whd in match (tape_move ???); #Htc
 258     destruct (Hte) cut (td = change_vec ?? tc (midtape ? ls null []) cfg)
 259     [@daemon] -Htd1 -Htd2 #Htd
 260     -Htf1 cut (tf = change_vec ?? td (mk_tape ? [ ] (None ?) (reverse ? ls@[null])) cfg)
 261     [@daemon] -Htf2 -Htf3 #Htf destruct (Htf Htd Htc Htb)
 262     >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec
 263     >change_vec_change_vec >change_vec_change_vec >nth_change_vec //
 264     >reverse_cons >tape_move_mk_tape_R /2/ ]
 265 ]
 266 qed.
 267 *)
 268
 269 (* macchina che muove il nastro obj a destra o sinistra a seconda del valore
 270    del current di prg, che codifica la direzione in cui ci muoviamo *)
 271
 272 definition char_to_move ≝ λc.match c with
 273   [ bit b ⇒ if b then R else L
 274   | _ ⇒ N].
 275
 276 definition tape_move_obj : mTM FSUnialpha 2 ≝
 277   ifTM ??
 278    (inject_TM ? (test_char ? (λc:FSUnialpha.c == bit false)) 2 prg)
 279    (mmove obj FSUnialpha 2 L)
 280    (ifTM ??
 281     (inject_TM ? (test_char ? (λc:FSUnialpha.c == bit true)) 2 prg)
 282     (mmove obj FSUnialpha 2 R)
 283     (nop ??)
 284     tc_true)
 285    tc_true.
 286
 287 definition restart_tape ≝ λi.
 288   inject_TM ? (move_to_end FSUnialpha L) 2 i ·
 289   mmove i FSUnialpha 2 R.
 290
 291 definition unistep ≝
 292   obj_to_cfg · match_m cfg prg FSUnialpha 2 ·
 293   restart_tape cfg · copy prg cfg FSUnialpha 2 ·
 294   cfg_to_obj · tape_move_obj · restart_tape prg.
 295
 296 (*
 297 definition legal_tape ≝ λn,l,h,t.
 298   ∃state,char,table.
 299   nth cfg ? t1 (niltape ?) = midtape ? [ ] bar (state@[char]) →
 300   is_config n (bar::state@[char]) →
 301   nth prg ? t1 (niltape ?) = midtape ? [ ] bar table →
 302   bar::table = table_TM n l h → *)
 303
 304 definition list_of_tape ≝ λsig,t.
 305   left sig t@option_cons ? (current ? t) (right ? t).
 306
 307 definition low_char' ≝ λc.
 308   match c with
 309   [ None ⇒ null
 310   | Some b ⇒ if (is_bit b) then b else null
 311   ].
 312
 313 definition R_unistep ≝ λn,l,h.λt1,t2: Vector ? 3.
 314   ∀state,oldc,table.
 315   (* cfg *)
 316   nth cfg ? t1 (niltape ?) = midtape ? [ ] bar (state@[oldc]) →
 317   is_config n (bar::state@[oldc]) →
 318   (* prg *)
 319   nth prg ? t1 (niltape ?) = midtape ? [ ] bar table →
 320   bar::table = table_TM n l h →
 321   (* obj *)
 322   only_bits (list_of_tape ? (nth obj ? t1 (niltape ?))) →
 323   let char ≝ low_char' (current ? (nth obj ? t1 (niltape ?))) in
 324   let conf ≝ (bar::state@[char]) in
 325   (∃ll,lr.bar::table = ll@conf@lr) →
 326     ∃nstate,nchar,m,t. tuple_encoding n h t = (conf@nstate@[nchar;m]) ∧
 327     mem ? t l ∧
 328     t2 =
 329       change_vec ??
 330         (change_vec ?? t1 (midtape ? [ ] bar (nstate@[nchar])) cfg)
 331         (tape_move_mono ? (nth obj ? t1 (niltape ?)) 〈Some ? nchar,char_to_move m〉) obj.
 332
 333 definition tape_map ≝ λA,B:FinSet.λf:A→B.λt.
 334   mk_tape B (map ?? f (left ? t))
 335     (option_map ?? f (current ? t))
 336     (map ?? f (right ? t)).
 337
 338 definition low ≝ λM:normalTM.λc:nconfig (no_states M).Vector_of_list ?
 339   [tape_map ?? bit (ctape ?? c);
 340    midtape ? [ ] bar (bits_of_state ? (nhalt M) (cstate ?? c));
 341    midtape ? [ ] bar (table_TM ? (graph_enum ?? (ntrans M)) (nhalt M))
 342   ].
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 346
 347