]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blob - matita/matita/lib/tutorial/chapter2.ma
chapters 2 e 3
[helm.git] / matita / matita / lib / tutorial / chapter2.ma
1 (******************************** Induction ***********************************)
2
3 include "basics/types.ma".
4
5 (* Most of the types we have seen so far are enumerated types, composed by a 
6 finite set of alternatives, and records, composed by tuples of heteregoneous 
7 elements. A more interesting case of type definition is when some of the rules 
8 defining its elements are recursive, i.e. they allow the formation of more 
9 elements of the type in terms of the already defined ones. The most typical case 
10 is provided by the natural numbers, that can be defined as the smallest set 
11 generated by a constant 0 and a successor function from natural numbers to 
12 natural numbers *)
13
14 inductive nat : Type[0] ≝ 
15 | O :nat
16 | S: nat →nat.
17
18 (* The two terms O and S are called constructors: they define the signature of 
19 the type, whose objects are the elements freely generated by means of them. So, 
20 examples of natural numbers are O, S O, S (S O), S (S (S O)) and so on. 
21
22 The language of Matita allows the definition of well founded recursive functions 
23 over inductive types; in order to guarantee termination of recursion you are 
24 only allowed to make recursive calls on structurally smaller arguments than the 
25 ones you received in input. Most mathematical functions can be naturally defined 
26 in this way. For instance, the sum of two natural numbers can be defined as 
27 follows: *)
28
29 let rec add n (m:nat) ≝ 
30 match n with
31 [ O ⇒ m
32 | S a ⇒ add (S a) m
33 ].
34
35 check 
36
37 (* Observe that the definition of a recursive function requires the keyword 
38 "let rec" instead of "definition". The specification of formal parameters is 
39 different too. In this case, they come before the body, and do not require a λ. 
40 If you need to specify the type of some argument, you need to enclose it in 
41 brackets, as follows: (n:nat). 
42
43 By convention, recursion is supposed to operate over the first argument (that 
44 means that this is the only argument that is supposed to decrease in the 
45 recursive calls). In case you need to work on a different argument, say foo, you 
46 can specify it by explicitly mention "on foo" just after the declaration of all 
47 parameters. *)
48
49 (******************************* Elimination **********************************)
50
51 (* It is worth to observe that the previous algorithm works by recursion over 
52 the first argument. This means that, for instance, (add O x) will reduce to x, 
53 as expected, but (add x O) is stuck. 
54 How can we prove that, for a generic x, (add x O) = x? The mathematical tool to 
55 do it is called induction. The induction principle states that, given a property 
56 P(n) over natural numbers, if we prove P(0) and prove that, for any m, P(m) 
57 implies P(S m), than we can conclude P(n) for any n. 
58
59 The elim tactic, allow you to apply induction in a very simple way. If your goal 
60 is P(n), the invocation of elim n will break down your task to prove the two 
61 subgoals P(0) and ∀m.P(m) → P(S m).
62
63 Let us apply it to our case *)
64
65 lemma add_0: ∀a. add a O = a.
66 #a elim a
67
68 (* If you stop the computation here, you will see on the right the two subgoals 
69     - add O O = O
70     - ∀x. add x 0 = x → add (S x) O = S x
71 After normalization, both goals are trivial.
72 *)
73
74 normalize // qed.
75
76 (* In a similar way, it is convenient to state a lemma about the behaviour of 
77 add when the second argument is not zero. *)
78
79 lemma add_S : ∀a,b. add a (S b) = S (add a b).
80
81 (* In the same way as before, we proceed by induction over a. *)
82
83 #a #b elim a normalize //
84 qed. 
85
86 (* We are now in the position to prove the commutativity of the sum *)
87
88 theorem add_comm : ∀a,b. add a b = add b a.
89
90 #a elim a normalize
91
92 (* We have two sub goals:
93   G1: ∀b. b = add b O
94   G2: ∀x.(∀b. add x b = add b x) → ∀b. S (add x b) = add b (S x). 
95 G1 is just our lemma add_O. For G2, we start introducing x and the induction 
96 hypothesis IH; then, the goal is proved by rewriting using add_S and IH.
97 For Matita, the task is trivial and we can simply close the goal with // *)
98
99 // qed.
100
101 (* COERCIONS *)
102
103 inductive bool : Type[0] ≝
104 | tt : bool
105 | ff : bool.
106
107 definition nat_of_bool ≝ λb. match b with 
108 [ tt ⇒ S O 
109 | ff ⇒ O 
110 ].
111
112 (* coercion nat_of_bool. ?? *)
113
114 (******************************** Existential *********************************)
115
116 (* We are interested to prove that for any natural number n there exists a 
117 natural number m that is the integer half of n. This will give us the 
118 opportunity to introduce new connectives and quantifiers and, later on, to make 
119 some interesting consideration on proofs and computations. 
120 Here is the formal statement of the theorem we are interested in: *)
121
122 definition twice ≝ λn.add n n. 
123
124 theorem ex_half: ∀n.∃m. n = twice m ∨ n = S (twice m).
125 #n elim n normalize
126
127 (* We proceed by induction on n, that breaks down to the following goals:
128   G1: ∃m.O = add O O ∨ O = S (add m m)
129   G2: ∀x.(∃m. x = add m m ∨ x = S (add m m))→ 
130             ∃m. S x = add m m ∨ S x = S (add m m)
131 The only way we have to prove an existential goal is by exhibiting the witness, 
132 that in the case of first goal is O. We do it by apply the term called ex_intro 
133 instantiated by the witness. Then, it is clear that we must follow the left 
134 branch of the disjunction. One way to do it is by applying the term or_introl, 
135 that is the first constructor of the disjunction. However, remembering the names 
136 of constructors can be annyoing: we can invoke the application of the n-th 
137 constructor of an inductive type (inferred by the current goal) by typing %n. At 
138 this point we are left with the subgoal O = add O O, that is closed by 
139 computation. It is worth to observe that invoking automation at depth /3/ would 
140 also automatically close G1.
141 *)
142
143   [@(ex_intro … O) %1 //
144
145 (******************************* Decomposition ********************************)
146
147 (* The case of G2 is more complex. We should start introducing x and the 
148 inductive hypothesis
149      IH: ∃m. x = add m m ∨ x = S (add m m) 
150 At this point we should assume the existence of m enjoying the inductive 
151 hypothesis. To eliminate the existential from the context we can just use the 
152 case tactic. This situation where we introduce something into the context and 
153 immediately eliminate it by case analysis is so frequent that Matita provides a 
154 convenient shorthand: you can just type a single "*". 
155 The star symbol should be reminiscent of an explosion: the idea is that you have
156 a structured hypothesis, and you ask to explode it into its constituents. In the 
157 case of the existential, it allows to pass from a goal of the shape 
158     (∃x.P x) → Q
159 to a goal of the shape
160     ∀x.P x → Q
161 *)
162   |#x * 
163 (* At this point we are left with a new goal with the following shape
164   G3: ∀m. x = add m m ∨ x = S (add m m) → ....  
165 We should introduce m, the hypothesis H: x = add m m ∨ x = S (add m m), and 
166 then reason by cases on this hypothesis. It is the same situation as before: 
167 we explode the disjunctive hypothesis into its possible consituents. In the case 
168 of a disjunction, the * tactic allows to pass from a goal of the form
169     A∨B → Q
170 to two subgoals of the form
171     A → Q  and  B → Q
172 *)
173   #m * #eqx
174 (* In the first subgoal, we are under the assumption that x = add m m. The half 
175 of (S x) is hence m, and we have to prove the right branch of the disjunction. 
176 In the second subgoal, we are under the assumption that x = S (add m m). The 
177 halh of (S x) is hence (S m), and have to follow the left branch of the 
178 disjunction. *)
179   [@(ex_intro … m) /2/ | @(ex_intro … (S m)) normalize /2/
180   ]
181 qed. 
182
183 (**************************** Computing vs. Proving ***************************)
184
185 (* Instead of proving the existence of a number corresponding to the half of n, 
186 we could be interested in computing it. The best way to do it is to define this 
187 division operation together with the remainder, that in our case is just a 
188 boolean value: tt if the input term is even, and ff if the input term is odd. 
189 Since we must return a pair, we could use a suitably defined record type, or 
190 simply a product type nat × bool, defined in the basic library. The product type 
191 is just a sort of general purpose record, with standard fields fst and snd, 
192 called projections. 
193 A pair of values n and m is written (pair … m n) or \langle n,m \rangle - 
194 visually rendered as 〈n,m〉.
195 We first write down the function, and then discuss it.*)
196
197 let rec div2 n ≝ 
198 match n with
199 [ O ⇒ 〈O,ff〉
200 | S a ⇒ 
201    let 〈q,r〉 ≝ (div2 a) in
202    match r with
203    [ tt ⇒ 〈S q,ff〉 
204    | ff ⇒ 〈q, tt〉
205    ]
206 ]. 
207
208 (* The function is computed by recursion over the input n. If n is 0, then the 
209 quotient is 0 and the remainder is tt. If n = S a, we start computing the half 
210 of a, say 〈q,b〉. Then we have two cases according to the possible values of b: 
211 if b is tt, then we must return 〈q,ff〉, while if b = ff then we must return 
212 〈S q,tt〉.
213
214 It is important to point out the deep, substantial analogy between the algorithm 
215 for computing div2 and the the proof of ex_half. In particular ex_half returns a 
216 proof of the kind ∃n.A(n)∨B(n): the really informative content in it is the 
217 witness n and a boolean indicating which one between the two conditions A(n) and 
218 B(n) is met. This is precisely the quotient-remainder pair returned by div2.
219 In both cases we proceed by recurrence (respectively, induction or recursion) 
220 over the input argument n. In case n = 0, we conclude the proof in ex_half by 
221 providing the witness O and a proof of A(O); this corresponds to returning the 
222 pair 〈O,ff〉 in div2. Similarly, in the inductive case n = S a, we must exploit 
223 the inductive hypothesis for a (i.e. the result of the recursive call), 
224 distinguishing two subcases according to the the two possibilites A(a) or B(a) 
225 (i.e. the two possibile values of the remainder for a). The reader is strongly 
226 invited to check all remaining details. *)
227
228 (****************************** Destruct **************************************)
229
230 (* Let us now prove that our div2 function has the expected behaviour. 
231 We start proving a few easy lemmas:
232 *)
233
234 lemma div2SO: ∀n,q. div2 n = 〈q,ff〉 → div2 (S n) = 〈q,tt〉.
235 #n #q #H normalize >H normalize // qed.
236
237 lemma div2S1: ∀n,q. div2 n = 〈q,tt〉 → div2 (S n) = 〈S q,ff〉.
238 #n #q #H normalize >H normalize // qed.
239
240 (* Here is our statement, where $\mathit{nat\_of\_bool}$ is the above coercions: 
241 *)
242
243 lemma div2_ok: ∀n,q,r. div2 n = 〈q,r〉 → n = add (nat_of_bool r) (twice q).
244
245 (* We proceed by induction on $n$, that produces two subgoals. *)
246
247 #n elim n 
248   [#q #r #H 
249   
250 (* After introducing the hypothesis q,r and H, the first subgoal looks like the 
251 following:  
252
253  n : nat
254  q : nat
255  r : bool
256  H : (div2 O=〈q,r〉)
257  ---------------------------
258   
259  (O=add (nat_of_bool r) (twice q)) 
260
261 Note that the right hand side of equation H is not in normal form, and we would 
262 like to reduce it. We can do it by specifying a pattern for the normalize 
263 tactic, introduced by the ``in'' keyword, and delimited by a semicolon. In this 
264 case, the pattern is just the name of the hypothesis and we should write *)
265
266   normalize in H; 
267
268 (* that transforms H as follows:
269   
270  H : (〈O,ff〉=〈q,r〉)
271
272 From such an hypothesis we expect to be able to conclude that q=O$ and r=false. 
273 The tactic that provides this functionality is called "destruct". The tactic 
274 decomposes an equality between structured terms in smaller components: if an 
275 absurd situation is recognized (like an equality between 0 and (S n)) the 
276 current goal is automatically closed; otherwise, all derived equations where one 
277 of the sides is a variable are automatically substituted in the proof, and the 
278 remaining equations are added to the context (replacing the original equation).
279
280 In the above case, by invoking destruct we would get the two equations q=O and 
281 r=false; these are immediately substituted in the goal, that can now be solved 
282 by direct computation. *)
283
284   destruct //
285   
286 (********************************** Cut ***************************************)
287
288 (* Let's come to the second subgoal *)
289   |#a #Hind #q #r
290 (* After performing the previous introductions, the current goal looks like the 
291 following: 
292
293    n : nat
294    a : nat
295    Hind : (∀q:nat.∀r:bool.div2 a=〈q,r〉→a=add (nat_of_bool r) (twice q))
296    q : nat
297    r : bool
298    ---------------------------
299    div2 (S a)=〈q,r〉→S a=add (nat_of_bool r) (twice q)
300
301 We should proceed by cases on the remainder of (div2 a), but before doing it we 
302 should emphasize the fact that (div2 a) can be expressed as a pair of its two 
303 projections. The tactics that allows to introduce a new hypothesis, splitting a 
304 complex proofs into smaller components is called "cut". 
305 The invocation of "cut A" transforms the current goal G into the two subgoals A
306 and A→G (A is called the cut formula).
307
308 In our case, the cut formula is
309      div2 a = 〈fst … (div2 a), snd … (div2 a)〉
310 whose proof is trivial
311 *) 
312   
313    cut (div2 a = 〈fst … (div2 a), snd … (div2 a)〉) [//] 
314    
315 (* We now proceed by induction on (snd … (div2 a)); the two subgoals are
316 respectively closed using the two lemmas div2SO  and div2S1 in conjunction with 
317 the inductive hypothesis, and do not contain additional challenges. *)
318
319    cases (snd … (div2 a))
320     [#H >(div2S1 … H) #H1 destruct normalize @eq_f >add_S @(Hind … H)
321     |#H >(div2SO … H) #H1 destruct normalize @eq_f @(Hind … H) 
322     ]
323 qed.
324
325 (********************** Mixing proofs and computations ************************)
326
327 (* There is still another possibility, however, namely to mix the program and 
328 its specification into a single entity. The idea is to refine the output type of 
329 the div2 function: it should not be just a generic pair 〈q,r〉 of natural numbers 
330 but a specific pair satisfying the specification of the function. In other 
331 words, we need the possibility to define, for a type A and a property P over A, 
332 the subset type {a:A|P(a)} of all elements a of type A that satisfy the property 
333 P. Subset types are just a particular case of the so called dependent types, 
334 that is types that can depend over arguments (such as arrays of a specified 
335 length, taken as a parameter).These kind of types are quite unusual in 
336 traditional programming languages, and their study is one of the new frontiers 
337 of the current research on type systems. 
338
339 There is nothing special in a subset type {a:A|P(a)}: it is just a record 
340 composed by an element of a of type A and a proof of P(a). The crucial point is 
341 to have a language reach enough to comprise proofs among its expressions. 
342 *)
343
344 record Sub (A:Type[0]) (P:A → Prop) : Type[0] ≝
345   {witness: A; 
346    proof: P witness}.
347
348 definition qr_spec ≝ λn.λp.∀q,r. p = 〈q,r〉 → n = add (nat_of_bool r) (twice q).
349   
350 (* We can now construct a function from n to {p|qr_spec n p} by composing the 
351 objects we already have *)
352
353 definition div2P: ∀n. Sub (nat×bool) (qr_spec n) ≝ λn.
354  mk_Sub ?? (div2 n) (div2_ok n).
355
356 (* But we can also try do directly build such an object *)
357
358 definition div2Pagain : ∀n.Sub (nat×bool) (qr_spec n).
359 #n elim n
360   [@(mk_Sub … 〈O,ff〉) normalize #q #r #H destruct //
361   |#a * #p #qrspec 
362    cut (p = 〈fst … p, snd … p〉) [//] 
363    cases (snd … p)
364     [#H @(mk_Sub … 〈S (fst … p),ff〉) #q #r #H1 destruct @eq_f >add_S @(qrspec … H)
365     |#H @(mk_Sub … 〈fst … p,tt〉) #q #r #H1 destruct @eq_f @(qrspec … H) 
366   ]
367 qed.
368
369 example full7: (div2Pagain (S(S(S(S(S(S(S O)))))))) = ?.
370 [normalize //] qed.
371
372 example quotient7: witness … (div2Pagain (S(S(S(S(S(S(S O)))))))) = ?.
373 normalize // qed.
374
375 example quotient8: witness … (div2Pagain (twice (twice (twice (twice (S O)))))) 
376        = 〈twice (twice (twice (S O))), ff〉.
377 // qed.