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-\documentclass{kluwer}
+\documentclass[]{kluwer}
 \usepackage{color}
 \usepackage{graphicx}
-% \usepackage{amssymb,amsmath}
 \usepackage{hyperref}
-% \usepackage{picins}
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-\definecolor{gray}{gray}{0.85}
-%\newcommand{\logo}[3]{
-%\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
-%}
+\newcommand{\component}{component}
+\newcommand{\components}{components}
 
-\newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
+\newcommand{\BOXML}{BoxML}
 \newcommand{\COQ}{Coq}
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 \newcommand{\HELM}{Helm}
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+% \newcommand{\IN}{\ensuremath{\dN}}
+\newcommand{\LEGO}{Lego}
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+\newcommand{\MOWGLIIST}{IST-2001-33562}
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+
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-\definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
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+\newcommand{\NT}[1]{\ensuremath{\langle\mathit{#1}\rangle}}
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+\newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
+
+\definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
 
-%{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
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   \end{center}}
 
-\newcounter{example}
-\newenvironment{example}{\stepcounter{example}\vspace{0.5em}\noindent\emph{Example} \arabic{example}.}
- {}
-\newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
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-% \newcommand{\NOTE}[1]{\ifodd \arabic{page} \else \hspace{-2cm}\fi\ednote{#1}}
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+\newcommand{\PASS}{\stepcounter{pass}\arabic{pass}}
 
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    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
   \end{center}}
 
-\bibliographystyle{plain}
+\bibliographystyle{klunum}
 
 \begin{document}
 
 \begin{opening}
-
  \title{The \MATITA{} Proof Assistant}
 
-\author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
-\author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
-\author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
-\author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
-\institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
- Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
+ \author{Andrea \surname{Asperti} \email{asperti@cs.unibo.it}}
+ \author{Claudio \surname{Sacerdoti Coen} \email{sacerdot@cs.unibo.it}}
+ \author{Enrico \surname{Tassi} \email{tassi@cs.unibo.it}}
+ \author{Stefano \surname{Zacchiroli} \email{zacchiro@cs.unibo.it}}
 
-\runningtitle{The Matita proof assistant}
-\runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
-
-% \date{data}
+ \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
+ Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY}
 
-\begin{motto}
-``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
-\end{motto}
+ \runningtitle{The \MATITA{} proof assistant}
+ \runningauthor{Asperti, Sacerdoti Coen, Tassi, Zacchiroli}
 
-\begin{abstract}
- abstract qui
-\end{abstract}
+%\begin{motto}
+%  ``We are nearly bug-free'' -- \emph{CSC, Oct 2005}
+% \end{motto}
 
-\keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
-Digital Libraries}
+ \begin{abstract}
+  \TODO{scrivere abstract}
+ \end{abstract}
 
+ \keywords{Proof Assistant, Mathematical Knowledge Management, XML, Authoring,
+ Digital Libraries}
 \end{opening}
 
+% toc & co: to be removed in the final paper version
+\tableofcontents
+\listoffigures
+\listoftables
+
 \section{Introduction}
 \label{sec:intro}
-In this paper we describe the architecture and a few distintive features of the
-\emph{\MATITA} proof assistant. \MATITA{} was not conceived out of the blue
-one single day; it has been the next natural step in the evolution of one
-line of research we started six years ago. Thus, to better understand the
-system, we start from its historical roots.
-
-\subsection{Historical Perspective}
-\MATITA{} is under development by the \HELM{} team
-\cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
-Prof.~Asperti. 
-The origin of the system goes back to 1999. At the time we were mostly 
-interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
-via Web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
-library of the \COQ{} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
-was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
-have been also conducted with other systems, and notably with \NUPRL{}.
+
+\MATITA{} is the Proof Assistant under development by the \HELM{}
+team~\cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of
+Prof.~Asperti. This paper describes the overall architecture of
+the system, focusing on its most distinctive and innovative 
+features.
+
+\subsection{Historical perspective}
+
+The origins of \MATITA{} go back to 1999. At the time we were mostly 
+interested in developing tools and techniques to enhance the accessibility
+via Web of libraries of formalized mathematics. Due to its dimension, the
+library of the \COQ~\cite{CoqManual} proof assistant (of the order of
+35'000 theorems) 
+was chosen as a privileged test bench for our work, although experiments
+have been also conducted with other systems, and notably 
+with \NUPRL~\cite{nuprl-book}.
 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
-European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
-following teps:
-\begin{itemize}
-\item exporting the information from the internal representation of
- \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
-time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
-a content-centric architecture for future system, where the documents
-of the library were the the main components around which everything else 
-has to be build;
-\item developing indexing and searching techniques supporting semantic
- queries to the library; these efforts gave birth to our \WHELP{}
-search engine, described in~\cite{whelp};
-\item developing languages and tools for a high-quality notational 
-rendering of mathematical information; in particular, we have been 
-active in the MathML Working group since 1999, and developed inside
-\HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
-which can be integrated in any application.
-\end{itemize}
+European project \MOWGLIIST{} \MOWGLI~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
+following steps:
+\begin{enumerate}
+
+ \item exporting the information from the internal representation of
+  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at
+  the time an emerging standard, we naturally adopted that technology,
+  fostering a content-centric architecture~\cite{content-centric} where
+  the documents of the library were the the main components around which
+  everything else has to be built;
+
+ \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
+  queries to the library; 
+
+ \item developing languages and tools for a high-quality notational
+  rendering of mathematical information.\footnote{We have been active in
+  the \MATHML{} Working group since 1999.} 
+
+\end{enumerate}
 
 According to our content-centric commitment, the library exported from
-Coq was conceived as being distributed and most of the tools were developed
-as Web services. The user could interact with the library and the tools by
+\COQ{} was conceived as being distributed and most of the tools were developed
+as Web services. The user can interact with the library and the tools by
 means of a Web interface that orchestrates the Web services.
 
-The Web services and the other tools have been implemented as front-ends
-to a set of libraries, collectively called the \HELM{} libraries.
+Web services and other tools have been implemented as front-ends
+to a set of software components, collectively called the \HELM{} components.
 At the end of the \MOWGLI{} project we already disposed of the following
-techniques and libraries:
+tools and software components:
 \begin{itemize}
-\item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
-with libraries for parsing and saving mathematical objects in such a format;
-\item metadata specifications with libraries for indexing and querying the
-XML knowledge base;
-\item a proof checker library (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
-implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
-logically relevant content;
-\item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
-with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
-mathematical notation \cite{disambiguation};
-\item a {\em refiner} library, i.e. a type inference system, based on
-partially specified terms, used by the disambiguating parser;
-\item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
-language;
-\item an innovative rendering widget, supporting high-quality bidimensional
-rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
-meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
-a different text area.
+
+ \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
+  with components for parsing and saving mathematical objects in such a
+  format~\cite{exportation-module};
+
+ \item metadata specifications with components for indexing and querying the
+  XML knowledge base;
+
+ \item a proof checker (i.e. the \emph{kernel} of a proof assistant), 
+  implemented to check that we exported from the \COQ{} library all the 
+  logically relevant content;
+
+ \item a sophisticated term parser (used by the search engine), able to deal 
+  with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
+  mathematical notation~\cite{disambiguation};
+
+ \item a \emph{refiner} component, i.e. a type inference system, based on
+  partially specified terms, used by the disambiguating parser;
+
+ \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
+  language~\cite{remathematization};
+
+ \item an innovative, \MATHML-compliant rendering widget~\cite{padovani}
+  for the \GTK{}\footnote{\url{http://www.gtk.org}} graphical environment,
+  supporting high-quality bidimensional
+  rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
+  meaningful rendering expressions, and to paste the respective content into
+  a different text area.
+
 \end{itemize}
-Starting from all this, the further step of developing our own 
-proof assistant was too
-small and too tempting to be neglected. Essentially, we ``just'' had to
+
+Starting from all this, developing our own proof assistant was not
+too far away: essentially, we ``just'' had to
 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
 overall management of the library, integrating everything into a
 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
 
-\subsection{The System}
+\subsection{The system}
+
+\MATITA{} is a proof assistant (also called interactive theorem prover).
+It is based on the Calculus of (Co)Inductive Constructions
+(CIC)~\cite{Werner} that is a dependently typed lambda-calculus \`a la
+Church enriched with primitive inductive and co-inductive data types.
+Via the Curry-Howard isomorphism, the calculus can be seen as a very
+rich higher order logic and proofs can be simply represented and
+stored as lambda-terms. \COQ{} and \LEGO~\cite{lego} are other systems
+that adopt (variations of) CIC as their foundation.
+
+The proof language of \MATITA{} is procedural, in the tradition of the LCF
+theorem prover~\cite{lcf}. \COQ, \NUPRL, PVS, Isabelle are all examples of
+others systems
+whose proof language is procedural. Traditionally, in a procedural system
+the user interacts only with the \emph{script}, while proof terms are internal
+records kept by the system. 
+In \MATITA{}, which has been conceived for a potentially distributed
+library, proof terms are also meant as the primary representation for 
+storage and communication with other systems (e.g. \COQ). 
+%On the contrary, in \MATITA{} proof terms are
+%praised as declarative versions of the proof. Playing that role, they are the
+%primary mean of communication of proofs (once rendered to natural language
+%for human audiences).
+
+All the user interfaces currently adopted by proof assistants based on a
+procedural proof language have been influenced by the CtCoq pioneering
+system~\cite{ctcoq1}. One successful incarnation of the ideas introduced
+by CtCoq is the Proof General generic interface~\cite{proofgeneral},
+that has set a sort of
+standard way to interact with the system. 
+%Several procedural proof assistants
+%have either adopted or cloned Proof General as their main user interface.
+The authoring interface of \MATITA{} essentially offers the same 
+functionalities of the Proof General interface or CoqIde.
+On the contrary, the interface to interact with the library is rather
+innovative and directly inspired by the Web interfaces to our Web servers.
+
+\MATITA{} is backward compatible with the XML library of proof objects exported
+from \COQ{}, but, in order to test the actual usability of the system, we are
+also developing a new library of basic results from scratch.
+
+\subsection{Relationship with \COQ{}}
 
 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
 more the effect of the circumstances of its creation described 
 above than the result of a deliberate design. In particular, we
 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
-Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementative
-language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
-However, the analogy essentially stops here and no code is shared by the
-two systems.
+Calculus of (Co)Inductive Constructions), the same implementation
+language (\OCAML\footnote{\url{http://caml.inria.fr/}}),
+and the same (procedural, script based) authoring philosophy.
+However, the analogy essentially stops here; in particular, no code is shared
+between the two systems and the algorithms are often different.
 
-In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
+In a sense, we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
 \COQ{}, it links 60'000 lines of \OCAML{} code, against the 166'000 lines linked
 by \COQ{} (and we are convinced that, starting from scratch again,
-we could furtherly reduce our code in sensible way).
+we could reduce our code even further in a sensible way).
 
 Moreover, the complexity of the code of \MATITA{} is greatly reduced with
-respect to \COQ. For instance, the API of the libraries of \MATITA{} comprise
-916 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
+respect to \COQ. For instance, the API of the components of \MATITA{} comprise
+989 functions, to be compared with the 4'286 functions of \COQ.
 
-Finally, \MATITA{} has several innovatives features over \COQ{} that derive
+Finally, \MATITA{} has several innovative features over \COQ{} that derive
 from the integration of Mathematical Knowledge Management tools with proof
 assistants. Among them, the advanced indexing tools over the library and
 the parser for ambiguous mathematical notation.
 
 The size and complexity improvements over \COQ{} must be understood
-historically. \COQ{} is a quite old
-system whose development started 15\NOTE{Verificare} years ago. Since then
+historically. \COQ~\cite{CoqArt} is a quite old
+system whose development started 20 years ago. Since then,
 several developers have took over the code and several new research ideas
-that were not considered in the original architecture have been experimented
+and optimizations that were not considered in the original architecture 
+have been experimented
 and integrated in the system. Moreover, there exists a lot of developments
 for \COQ{} that require backward compatibility between each pair of releases;
 since many central functionalities of a proof assistant are based on heuristics
 or arbitrary choices to overcome undecidability (e.g. for higher order
-unification), changing these functionalities mantaining backward compatibility
-is very difficult. Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
-over the years; optimization reduces maintenability and rises the complexity
-of the code.
+unification), changing these functionalities maintaining backward compatibility
+is very difficult. 
+%Finally, the code of \COQ{} has been greatly optimized
+%over the years; optimization reduces maintainability and rises the complexity
+%of the code.
 
 In writing \MATITA{} we have not been hindered by backward compatibility and
 we have took advantage of the research results and experiences previously
 developed by others, comprising the authors of \COQ. Moreover, starting from
-scratch, we have designed in advance the architecture and we have splitted
-the code in coherent minimally coupled libraries.
+scratch, we have designed in advance the architecture and we have split
+the code in coherent minimally coupled components.
 
 In the future we plan to exploit \MATITA{} as a test bench for new ideas and
-extensions. Keeping the single libraries and the whole architecture as
-simple as possible is thus crucial to speed up future experiments and to
+extensions. Keeping the single components and the whole architecture as
+simple as possible is thus crucial to foster future experiments and to
 allow other developers to quickly understand our code and contribute.
-For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
-be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
-and frequent interactions with \COQ{} developers.
 
-\begin{itemize}
- \item scelta del sistema fondazionale
- \item sistema indipendente (da Coq)
-  \begin{itemize}
-   \item possibilit\`a di sperimentare (soluzioni architetturali, logiche,
-    implementative, \dots)
-   \item compatibilit\`a con sistemi legacy
-  \end{itemize}
-\end{itemize}
+%For direct experience of the authors, the learning curve to understand and
+%be able to contribute to \COQ{}'s code is quite steep and requires direct
+%and frequent interactions with \COQ{} developers.
 
-\begin{figure}[t]
+\section{Architecture}
+\label{architettura}
+
+\begin{figure}[!ht]
  \begin{center}
-  \includegraphics[width=0.9\textwidth]{librariesCluster.ps}
-  \caption{\label{fig:libraries}\MATITA{} libraries}
+  \includegraphics[width=0.9\textwidth,height=0.8\textheight]{pics/libraries-clusters}
+  \caption[\MATITA{} components and related applications]{\MATITA{}
+   components and related applications, with thousands of line of
+   codes (klocs)\strut}
+  \label{fig:libraries}
  \end{center}
 \end{figure}
 
-\section{Overview of the Architecture}
-Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{libraries} (circle nodes)
-and \emph{applications} (squared nodes) developed in the HELM project.
+Fig.~\ref{fig:libraries} shows the architecture of the \emph{\components}
+(circle nodes) and \emph{applications} (squared nodes) developed in the
+\HELM{} project. Each node is annotated with the number of lines of
+source code (comprising comments).
 
-Applications and libraries depend over other libraries forming a
-directed acyclic graph (DAG). Each library can be decomposed in
-a set of \emph{modules} also forming a DAG.
+Applications and \components{} depend on other \components{} forming a
+directed acyclic graph (DAG). Each \component{} can be decomposed in
+a set of \emph{modules} also forming a DAG.
 
-Modules and libraries provide coherent sets of functionalities
+Modules and \components{} provide coherent sets of functionalities
 at different scales. Applications that require only a few functionalities
-depend on a restricted set of libraries.
+depend on a restricted set of \components.
 
 Only the proof assistant \MATITA{} and the \WHELP{} search engine are
-applications meant to be used directly by the user. All the other applications
-are Web services developed in the HELM and MoWGLI projects and already described
-elsewhere. In particular:
+applications meant to be used directly by the user; all the other applications
+are Web services developed in the \HELM{} and \MOWGLI{} projects. The 
+following applications have already been described elsewhere:
 \begin{itemize}
- \item The \emph{Getter} is a Web service to retrieve an (XML) document
-   from a physical location (URL) given its logical name (URI). The Getter is
-   responsible of updating a table that maps URIs to URLs. Thanks to the Getter
-   it is possible to work on a logically monolithic library that is physically
-   distributed on the network. More information on the Getter can be found
-   in~\cite{zack-master}.
- \item \emph{Whelp} is a search engine to index and locate mathematical
-   notions (axioms, theorems, definitions) in the logical library managed
-   by the Getter. Typical examples of a query to Whelp are queries that search
-   for a theorem that generalize or instantiate a given formula, or that
-   can be immediately applied to prove a given goal. The output of Whelp is
-   an XML document that lists the URIs of a complete set of candidates that
-   are likely to satisfy the given query. The set is complete in the sense
-   that no notion that actually satisfies the query is thrown away. However,
-   the query is only approssimated in the sense that false matches can be
-   returned. Whelp has been described in~\cite{whelp}.
- \item \emph{Uwobo} is a Web service that, given the URI of a mathematical
-   notion in the distributed library, renders it according to the user provided
-   two dimensional mathematical notation. Uwobo may also embed the rendering
-   of mathematical notions into arbitrary documents before returning them.
-   The Getter is used by Uwobo to retrieve the document to be rendered.
-   Uwobo has been described in~\cite{zack-master}.
- \item The \emph{Proof Checker} is a Web service that, given the URI of
-   notion in the distributed library, checks its correctness. Since the notion
-   is likely to depend in an acyclic way over other notions, the proof checker
-   is also responsible of building in a top-down way the DAG of all
-   dependencies, checking in turn every notion for correctness.
-   The proof checker has been described in~\cite{zack-master}.
- \item The \emph{Dependency Analyzer} is a Web service that can produce
-   a textual or graphical representation of the dependecies of an object.
-   The dependency analyzer has been described in~\cite{zack-master}.
+
+ \item The \emph{\GETTER}~\cite{zack-master} is a Web service to
+  retrieve an (XML) document from a physical location (URL) given its
+  logical name (URI). The Getter is responsible of updating a table that
+  maps URIs to URLs. Thanks to the Getter it is possible to work on a
+  logically monolithic library that is physically distributed on the
+  network.
+
+ \item \emph{\WHELP}~\cite{whelp} is a search engine to index and
+  locate mathematical concepts (axioms, theorems, definitions) in the
+  logical library managed by the Getter. Typical examples of
+  \WHELP{} queries are those that search for a theorem that generalize or
+  instantiate a given formula, or that can be immediately applied to
+  prove a given goal. The output of Whelp is an XML document that lists
+  the URIs of a complete set of candidates that are likely to satisfy
+  the given query. The set is complete in the sense that no concept that
+  actually satisfies the query is thrown away. However, the query is
+  only approximated in the sense that false matches can be returned.
+
+ \item \emph{\UWOBO}~\cite{zack-master} is a Web service that, given the
+  URI of a mathematical concept in the distributed library, renders it
+  according to the user provided two dimensional mathematical notation.
+  \UWOBO{} may also inline the rendering of mathematical concepts into
+  arbitrary documents before returning them.  The Getter is used by
+  \UWOBO{} to retrieve the document to be rendered.
+
+ \item The \emph{Proof Checker}~\cite{zack-master} is a Web service
+  that, given the URI of a concept in the distributed library, checks its
+  correctness. Since the concept is likely to depend in an acyclic way
+  on other concepts, the proof checker is also responsible of building
+  in a top-down way the DAG of all dependencies, checking in turn every
+  concept for correctness.
+
+ \item The \emph{Dependency Analyzer}~\cite{zack-master} is a Web
+  service that can produce a textual or graphical representation of the
+  dependencies of a concept.
+
 \end{itemize}
 
-The dependency of a library or application over another library can
-be satisfied by linking the library in the same executable.
-For those libraries whose functionalities are also provided by the
+The dependency of a \component{} or application over another \component{} can
+be satisfied by linking the \component{} in the same executable.
+For those \components{} whose functionalities are also provided by the
 aforementioned Web services, it is also possible to link stub code that
-forwards the request to a remote Web service. For instance, the Getter
-is just a wrapper to the \texttt{getter} library that allows the library
-to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link the code of the
-\texttt{getter} library, or it can use a stub library with the same API
-that forwards every request to the Getter.
+forwards the request to a remote Web service. For instance, the
+\GETTER{} application is just a wrapper to the \GETTER{} \component{}
+that allows it to be used as a Web service. \MATITA{} can directly link
+the code of the \GETTER{} \component, or it can use a stub library with
+the same API that forwards every request to the Web service.
 
 To better understand the architecture of \MATITA{} and the role of each
-library, we can focus on the representation of the mathematical information.
-\MATITA{} is based on (a variant of) the Calculus of (Co)Inductive
-Constructions (CIC). In CIC terms are used to represent mathematical
-expressions, types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at
-four different levels of specification. On each level it is possible to provide
-a different set of functionalities. The four different levels are:
-fully specified terms; partially specified terms; 
-content level terms; presentation level terms.
+\component, we can focus on the representation of the mathematical
+information.  In CIC terms are used to represent mathematical formulae,
+types and proofs. \MATITA{} is able to handle terms at four different
+levels of specification. On each level it is possible to provide a
+different set of functionalities. The four different levels are: fully
+specified terms; partially specified terms; content level terms;
+presentation level terms.
 
 \subsection{Fully specified terms}
+\label{sec:fullyintro}
+
  \emph{Fully specified terms} are CIC terms where no information is
    missing or left implicit. A fully specified term should be well-typed.
-   The mathematical notions (axioms, definitions, theorems) that are stored
+   The mathematical concepts (axioms, definitions, theorems) that are stored
    in our mathematical library are fully specified and well-typed terms.
    Fully specified terms are extremely verbose (to make type-checking
    decidable). Their syntax is fixed and does not resemble the usual
    extendible mathematical notation. They are not meant for direct user
    consumption.
 
-   The \texttt{cic} library defines the data type that represents CIC terms
-   and provides a parser for terms stored in an XML format.
+   The \texttt{cic} \component{} defines the data type that represents CIC terms
+   and provides a parser for terms stored in XML format.
 
-   The most important library that deals with fully specified terms is
+   The most important \component{} that deals with fully specified terms is
    \texttt{cic\_proof\_checking}. It implements the procedure that verifies
    if a fully specified term is well-typed. It also implements the
    \emph{conversion} judgement that verifies if two given terms are
    computationally equivalent (i.e. they share the same normal form).
 
-   Terms may reference other mathematical notions in the library.
+   Terms may reference other mathematical concepts in the library.
    One commitment of our project is that the library should be physically
-   distributed. The \texttt{getter} library manages the distribution,
+   distributed. The \GETTER{} \component{} manages the distribution,
    providing a mapping from logical names (URIs) to the physical location
-   of a notion (an URL). The \texttt{urimanager} library provides the URI
+   of a concept (an URL). The \texttt{urimanager} \component{} provides the URI
    data type and several utility functions over URIs. The
-   \texttt{cic\_proof\_checking} library calls the \texttt{getter} library
-   every time it needs to retrieve the definition of a mathematical notion
-   referenced by a term that is being type-checked. 
+   \texttt{cic\_proof\_checking} \component{} calls the \GETTER{}
+   \component{} every time it needs to retrieve the definition of a mathematical
+   concept referenced by a term that is being type-checked. 
 
-   The Proof Checker is the Web service that provides an interface
-   to the \texttt{cic\_proof\_checking} library.
+   The Proof Checker application is the Web service that provides an interface
+   to the \texttt{cic\_proof\_checking} \component.
 
-   We use metadata and a sort of crawler to index the mathematical notions
-   in the distributed library. We are interested in retrieving a notion
+   We use metadata to index the mathematical concepts
+   in the distributed library. We are interested in retrieving a concept
    by matching, instantiation or generalization of a user or system provided
-   mathematical expression. Thus we need to collect metadata over the fully
+   mathematical formula. Thus we need to collect metadata over the fully
    specified terms and to store the metadata in some kind of (relational)
-   database for later usage. The \texttt{hmysql} library provides a simplified
-   interface to a (possibly remote) MySql database system used to store the
-   metadata. The \texttt{metadata} library defines the data type of the metadata
+   database for later usage. The \texttt{hmysql} \component{} provides
+   a simplified
+   interface to a (possibly remote) MySQL\footnote{\url{http://www.mysql.com/}}
+   database system used to store the metadata.
+   The \texttt{metadata} \component{} defines the data type of the metadata
    we are collecting and the functions that extracts the metadata from the
-   mathematical notions (the main functionality of the crawler).
-   The \texttt{whelp} library implements a search engine that performs
+   mathematical concepts (the main functionality of the crawler).
+   The \texttt{whelp} \component{} implements a search engine that performs
    approximated queries by matching/instantiation/generalization. The queries
    operate only on the metadata and do not involve any actual matching
-   (that will be described later on and that is implemented in the
-    \texttt{cic\_unification} library). Not performing any actual matching
-   the query only returns a complete and hopefully small set of matching
+   (see the \texttt{cic\_unification} \component{} in
+   Sect.~\ref{sec:partiallyintro}). Not performing any actual matching
+   a query only returns a complete and hopefully small set of matching
    candidates. The process that has issued the query is responsible of
    actually retrieving from the distributed library the candidates to prune
    out false matches if interested in doing so.
 
-   The Whelp search engine is the Web service that provides an interface to
-   the \texttt{whelp} library.
-
+   The \WHELP{} application is the Web service that provides an interface to
+   the \texttt{whelp} \component.
+
+   According to our vision, the library is developed collaboratively so that
+   changing or removing a concept can invalidate other concepts in the library.
+   Moreover, changing or removing a concept requires a corresponding change
+   in the metadata database. The \texttt{library} \component{} is responsible
+   of preserving the coherence of the library and the database. For instance,
+   when a concept is removed, all the concepts that depend on it and their
+   metadata are removed from the library. This aspect will be better detailed
+   in Sect.~\ref{sec:libmanagement}.
+   
 \subsection{Partially specified terms}
+\label{sec:partiallyintro}
+
 \emph{Partially specified terms} are CIC terms where subterms can be omitted.
-Omitted subterms can bear no information at all or they may be associated to
-a sequent. The formers are called \emph{implicit terms} and they occur only
-linearly. The latters may occur multiple times and are called
-\emph{metavariables}. An \emph{explicit substitution} is applied to each
-occurrence of a metavariable. A metavariable stand for a term whose type is
+Omitted subterms come in two flavours:
+\emph{implicit terms} that do not require a declaration, but can only occur
+linearly; and \emph{metavariables}~\cite{geuvers-jojgov,munoz} whose declaration
+associates with them a sequent and whose occurrences are coupled with an
+explicit substitution.
+A metavariable stands for a term whose type is
 given by the conclusion of the sequent. The term must be closed in the
 context that is given by the ordered list of hypotheses of the sequent.
 The explicit substitution instantiates every hypothesis with an actual
-value for the term bound by the hypothesis.
+value for the variable bound by the hypothesis.
 
 Partially specified terms are not required to be well-typed. However a
 partially specified term should be \emph{refinable}. A \emph{refiner} is
 a type-inference procedure that can instantiate implicit terms and
-metavariables and that can introduce \emph{implicit coercions} to make a
-partially specified term be well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
-in the \texttt{cic\_unification} library. As the type checker is based on
-the conversion check, the refiner is based on \emph{unification} that is
-a procedure that makes two partially specified term convertible by instantiating
-as few as possible metavariables that occur in them.
+metavariables and that can introduce
+\emph{implicit coercions}~\cite{barthe95implicit} to make a
+partially specified term well-typed. The refiner of \MATITA{} is implemented
+in the \texttt{cic\_unification} \component. In the same way as the 
+type checker is based on
+convertibility, the refiner is based on \emph{unification}~\cite{strecker}
+that is a procedure that makes two partially specified term convertible by
+instantiating as few metavariables as possible that occur in them.
 
 Since terms are used in CIC to represent proofs, correct incomplete
 proofs are represented by refinable partially specified terms. The metavariables
@@ -418,9 +491,16 @@ prove.
 \emph{Tactics} are the procedures that the user can apply to progress in the
 proof. A tactic proves a conjecture possibly creating new (and hopefully
 simpler) conjectures. The implementation of tactics is given in the
-\texttt{tactics} library. It is heavily based on the refinement and unification
-procedures of the \texttt{cic\_unification} library. \TODO{citare paramodulation
-da qualche part o toglierla dal grafo}
+\texttt{tactics} \component. It is heavily based on the refinement and
+unification procedures of the \texttt{cic\_unification} \component.
+
+The \texttt{grafite} \component{} defines the abstract syntax tree (AST) for the
+commands of the \MATITA{} proof assistant. Most of the commands are tactics.
+Other commands are used to give definitions and axioms or to state theorems
+and lemmas. The \texttt{grafite\_engine} \component{} is the core of \MATITA.
+It implements the semantics of each command in the grafite AST as a function
+from status to status.  It implements also an undo function to go back to
+previous statuses.
 
 As fully specified terms, partially specified terms are not well suited
 for user consumption since their syntax is not extendible and it is not
@@ -429,10 +509,12 @@ an improvement over fully specified terms since they allow to omit redundant
 information that can be inferred by the refiner.
 
 \subsection{Content level terms}
-The language used to communicate proofs and expecially expressions with the
-user does not only needs to be extendible and accomodate the usual mathematical
-notation. It must also reflect the comfortable degree of imprecision and
-ambiguity that the mathematical language provides.
+\label{sec:contentintro}
+
+The language used to communicate proofs and especially formulae with the
+user does not only need to be extendible and accommodate the usual mathematical
+notation. It must also reflect the comfortable and suggestive degree of
+notational abuse so typical of the mathematical language.
 
 For instance, it is common practice in mathematics to speak of a generic
 equality that can be used to compare any two terms. However, it is well known
@@ -447,58 +529,80 @@ properties of addition over the binary representation are very different from
 those of addition over the unary representation. And addition over two natural
 numbers is definitely different from addition over two real numbers.
 
-Formal mathematics cannot hide these differences and obliges the user to be
+Formalized mathematics cannot hide these differences and forces the user to be
 very precise on the types he is using and their representation. However,
 to communicate formulae with the user and with external tools, it seems good
 practice to stick to the usual imprecise mathematical ontology. In the
 Mathematical Knowledge Management community this imprecise language is called
-the \emph{content level} representation of expressions.
-
-In \MATITA{} we provide two translations: from partially specified terms
-to content level terms and the other way around. The first translation can also
-be applied to fully specified terms since a fully specified term is a special
-case of partially specified term where no metavariable or implicit term occurs.
+the \emph{content level}~\cite{adams} representation of formulae.
 
-The translation from partially specified terms to content level terms must
+In \MATITA{} we provide translations from partially specified terms
+to content level terms and the other way around. 
+The former translation must
 discriminate between terms used to represent proofs and terms used to represent
-expressions. The firsts are translated to a content level representation of
-proof steps that can easily be rendered in natural language. The latters
-are translated to MathML Content formulae. MathML Content~\cite{mathml} is a W3C
-standard
-for the representation of content level expressions in an XML extensible format.
+formulae. Using techniques inspired by~\cite{natural,YANNTHESIS}, the firsts 
+are translated to a content level representation of
+proof steps that can in turn easily be rendered in natural language.
+The representation
+adopted has greatly influenced the OMDoc~\cite{omdoc} proof format that is now
+isomorphic to it. Terms that represent formulae are translated to \MATHML{}
+Content formulae. \MATHML{} Content~\cite{mathml} is a W3C standard
+for the representation of content level formulae in an extensible XML format.
 
 The translation to content level is implemented in the
-\texttt{acic\_content} library. Its input are \emph{annotated partially
-specified terms}, that are maximally unshared
+\texttt{acic\_content} \component. Its input are \emph{annotated partially
+specified terms}, that are
 partially specified terms enriched with additional typing information for each
 subterm. This information is used to discriminate between terms that represent
-proofs and terms that represent expressions. Part of it is also stored at the
+proofs and terms that represent formulae. Part of it is also stored at the
 content level since it is required to generate the natural language rendering
-of proofs. The terms need to be maximally unshared (i.e. they must be a tree
-and not a DAG). The reason is that to the occurrences of a subterm in
-two different positions we need to associate different typing informations.
-This association is made easier when the term is represented as a tree since
-it is possible to label each node with an unique identifier and associate
-the typing information using a map on the identifiers.
-The \texttt{cic\_acic} library annotates partially specified terms.
+of proofs. 
+The \texttt{cic\_acic} \component{} annotates terms. It is used
+by the \texttt{library} \component{} since fully specified terms are stored
+in the library in their annotated form.
 
 We do not provide yet a reverse translation from content level proofs to
-partially specified terms. But in \texttt{disambiguation} we do provide
-the reverse translation for expressions. The mapping from
-content level expressions to partially specified terms is not unique due to
+partially specified terms. But in \texttt{cic\_disambiguation} we do provide
+the reverse translation for formulae. The mapping from
+content level formulae to partially specified terms is not unique due to
 the ambiguity of the content level. As a consequence the translation
 is guided by an \emph{interpretation}, that is a function that chooses for
-every ambiguous expression one partially specified term. The
-\texttt{disambiguation} library contains the implementation of the
-disambiguation algorithm we presented in \cite{disambiguation} that is
-responsible of building in an efficicent way the set of all ``correct''
+every ambiguous formula one partially specified term. The
+\texttt{cic\_disambiguation} \component{} implements the
+disambiguation algorithm presented in~\cite{disambiguation} that is
+responsible of building in an efficient way the set of all correct
 interpretations. An interpretation is correct if the partially specified term
 obtained using the interpretation is refinable.
 
+In Sect.~\ref{sec:partiallyintro} we described the semantics of
+a command as a
+function from status to status. We also hinted that the formulae in a
+command are encoded as partially specified terms. However, consider the
+command ``\texttt{replace} $x$ \texttt{with} $y^2$''. Until the occurrence
+of $x$ to be replaced is located, its context is unknown. Since $y^2$ must
+replace $x$ in that context, its encoding as a term cannot be computed
+until $x$ is located. In other words, $y^2$ must be disambiguated in the
+context of the occurrence $x$ it must replace.
+
+The elegant solution we have implemented consists in representing terms
+in a command as functions from a context to a partially refined term. The
+function is obtained by partially applying our disambiguation function to
+the content level term to be disambiguated. Our solution should be compared with
+the one adopted in the \COQ{} system (where ambiguity is only relative to
+De Bruijn indexes).
+In \COQ, variables can be bound either by name or by position. A term
+occurring in a command has all its variables bound by name to avoid the need of
+a context during disambiguation.  This makes more complex every
+operation over terms (i.e. according to our architecture every module that
+depends on \texttt{cic}) since the code must deal consistently with both kinds
+of binding. Moreover, this solution cannot cope with other forms of ambiguity
+(as the context dependent meaning of the exponent in the previous example).
+
 \subsection{Presentation level terms}
+\label{sec:presentationintro}
 
 Content level terms are a sort of abstract syntax trees for mathematical
-expressions and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
+formulae and proofs. The concrete syntax given to these abstract trees
 is called \emph{presentation level}.
 
 The main important difference between the content level language and the
@@ -508,33 +612,36 @@ the usual mathematical symbols. Mathematicians invent new notions every
 single day, but they stick to a set of symbols that is more or less fixed.
 
 The fact that the presentation language is finite allows the definition of
-standard languages. In particular, for formulae we have adopt MathML
+standard languages. In particular, for formulae we have adopt \MATHML{}
 Presentation~\cite{mathml} that is an XML dialect standardized by the W3C. To
 visually
 represent proofs it is enough to embed formulae in plain text enriched with
 formatting boxes. Since the language of formatting boxes is very simple,
 many equivalent specifications exist and we have adopted our own, called
-BoxML.
+\BOXML.
 
-The \texttt{content\_pres} library contains the implementation of the
+The \texttt{content\_pres} \component{} contains the implementation of the
 translation from content level terms to presentation level terms. The
 rendering of presentation level terms is left to the application that uses
-the library. However, in the \texttt{hgdome} library we provide a few
-utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} MathML+BoxML tree from our
+the \component. However, in the \texttt{hgdome} \component{} we provide a few
+utility functions to build a \GDOME~\cite{gdome2} \MATHML+\BOXML{} tree from our
 presentation
-level terms. \GDOME{} MathML+BoxML trees can be rendered by the GtkMathView
-widget developed by Luca Padovani \cite{padovani}. The widget is
-particularly interesting since it allows to implement \emph{semantic
+level terms. \GDOME{} \MATHML+\BOXML{} trees can be rendered by the
+\GTKMATHVIEW{}
+widget developed by Luca Padovani~\cite{padovani}. The widget is
+particularly interesting since it allows the implementation of \emph{semantic
 selection}.
 
 Semantic selection is a technique that consists in enriching the presentation
 level terms with pointers to the content level terms and to the partially
 specified terms they correspond to. Highlight of formulae in the widget is
 constrained to selection of meaningful expressions, i.e. expressions that
-correspond to a lower\footnote{\TODO{non abbiamo parlato di ``ordine''}} level term. Once the rendering of a lower level term is
+correspond to a lower level term, that is a content term or a partially or
+fully specified term.
+Once the rendering of a lower level term is
 selected it is possible for the application to retrieve the pointer to the
 lower level term. An example of applications of semantic selection is
-\emph{semantic cut\&paste}: the user can select an expression and paste it
+\emph{semantic copy \& paste}: the user can select an expression and paste it
 elsewhere preserving its semantics (i.e. the partially specified term),
 possibly performing some semantic transformation over it (e.g. renaming
 variables that would be captured or lambda-lifting free variables).
@@ -543,397 +650,1041 @@ The reverse translation from presentation level terms to content level terms
 is implemented by a parser that is also found in \texttt{content\_pres}.
 Differently from the translation from content level terms to partially
 refined terms, this translation is not ambiguous. The reason is that the
-parsing library we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
+parsing tool we have adopted (CamlP4) is not able to parse ambiguous
 grammars. Thus we require the mapping from presentation level terms
 (concrete syntax) to content level terms (abstract syntax) to be unique.
 This means that the user must fix once and for all the associativity and
-precedence level of every operator he is using. In prctice this limitation
+precedence level of every operator he is using. In practice this limitation
 does not seem too strong. The reason is that the target of the
 translation is an ambiguous language and the user is free to associate
 to every content level term several different interpretations (as a
 partially specified term).
 
+Both the direct and reverse translation from presentation to content level
+terms are parameterized over the user provided mathematical notation. 
+The \texttt{lexicon} \component{} is responsible of managing the lexicon,
+that is the set of active notations. It defines an abstract syntax tree
+of commands to declare and activate new notations and it implements the
+semantics of these commands. It also implements undoing of the semantic
+actions. Among the commands there are hints to the
+disambiguation algorithm that are used to control and speed up disambiguation.
+These mechanisms will be further discussed in Sect.~\ref{sec:disambiguation}.
+
+Finally, the \texttt{grafite\_parser} \component{} implements a parser for
+the concrete syntax of the commands of \MATITA. The parser processes a stream
+of characters and returns a stream of abstract syntax trees (the ones
+defined by the \texttt{grafite} component and whose semantics is given
+by \texttt{grafite\_engine}). When the parser meets a command that changes
+the lexicon, it invokes the \texttt{lexicon} \component{} to immediately
+process the command. When the parser needs to parse a term at the presentation
+level, it invokes the already described parser for terms contained in
+\texttt{content\_pres}.
+
 The \MATITA{} proof assistant and the \WHELP{} search engine are both linked
-against the \texttt{cic\_disambiguation} and \texttt{content\_pres} libraries
+against the \texttt{grafite\_parser} \components{}
 since they provide an interface to the user. In both cases the formulae
-written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} library and
-then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} library.
-
-The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} library,
+written by the user are parsed using the \texttt{content\_pres} \component{} and
+then disambiguated using the \texttt{cic\_disambiguation} \component.  However,
+only \MATITA{} is linked against the \texttt{grafite\_engine} and
+\texttt{tactics} components (summing up to a total of 11'200 lines of code)
+since \WHELP{} can only execute those ASTs that correspond to queries
+(implemented in the \texttt{whelp} component).
+
+The \UWOBO{} Web service wraps the \texttt{content\_pres} \component,
 providing a rendering service for the documents in the distributed library.
 To render a document given its URI, \UWOBO{} retrieves it using the
 \GETTER{} obtaining a document with fully specified terms. Then it translates
 it to the presentation level passing through the content level. Finally
 it returns the result document to be rendered by the user's
-browser.\footnote{\TODO{manca la passata verso HTML}}
+browser.
+
+The \components{} not yet described (\texttt{extlib}, \texttt{xml},
+\texttt{logger}, \texttt{registry} and \texttt{utf8\_macros}) are 
+minor \components{} that provide a core of useful functions and basic
+services missing from the standard library of the programming language.
+%In particular, the \texttt{xml} \component{} is used to easily represent,
+%parse and pretty-print XML files.
+
+\section{The interface to the library}
+\label{sec:library}
+
+A proof assistant provides both an interface to interact with its library and
+an authoring interface to develop new proofs and theories. According
+to its historical origins, \MATITA{} strives to provide innovative
+functionalities for the interaction with the library. It is more traditional
+in its script based authoring interface. In the remaining part of the paper we
+focus on the user view of \MATITA.
+
+The library of \MATITA{} comprises mathematical concepts (theorems,
+axioms, definitions) and notation. The concepts are authored sequentially
+using scripts that are (ordered) sequences of procedural commands.
+Once they are produced we store them independently in the library.
+The only relation implicitly kept between the concepts are the logical,
+acyclic dependencies among them. This way the library forms a global (and
+distributed) hypertext.
+
+\begin{figure}[!ht]
+ \begin{center}
+  \includegraphics[width=0.45\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-browsing}
+  \hspace{0.05\textwidth}
+  \includegraphics[width=0.45\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-query}
+  \caption{Browsing and searching the library\strut}
+  \label{fig:cicbrowser1}
+ \end{center}
+\end{figure}
 
-\hrule
+\begin{figure}[!ht]
+ \begin{center}
+  \includegraphics[width=0.70\textwidth]{pics/cicbrowser-screenshot-con}
+  \caption[Natural language rendering]{Natural language rendering of a theorem
+  from the library\strut}
+  \label{fig:cicbrowser2}
+ \end{center}
+\end{figure}
+
+Several useful operations can be implemented on the library only,
+regardless of the scripts. For instance, searching and browsing is
+implemented by the ``cicBrowser'' window available from the \MATITA{}
+GUI. Using it, the hierarchical structure of the library can be
+explored (on the left of Fig.~\ref{fig:cicbrowser1}), the natural
+language rendering of proofs can be inspected
+(Fig.~\ref{fig:cicbrowser2}), and content based searches on the
+library can be performed (on the right of Fig.~\ref{fig:cicbrowser1}).
+Content based searches are described in
+Sect.~\ref{sec:indexing}.  Other examples of library operations are
+disambiguation of content level terms (see
+Sect.~\ref{sec:disambiguation}) and automatic proof searching (see
+Sect.~\ref{sec:automation}).
+
+The key requisite for the previous operations is that the library must
+be fully accessible and in a logically consistent state. To preserve
+consistency, a concept cannot be altered or removed unless the part of the
+library that depends on it is modified accordingly. To allow incremental
+changes and cooperative development, consistent revisions are necessary.
+For instance, to modify a definition, the user could fork a new version
+of the library where the definition is updated and all the concepts that
+used to rely on it are absent. The user is then responsible to restore
+the removed part in the new branch, merging the branch when the library is
+fully restored.
+
+To implement the proposed versioning system on top of a standard one
+it is necessary to implement \emph{invalidation} first. Invalidation
+is the operation that locates and removes from the library all the concepts
+that depend on a given one. As described in Sect.~\ref{sec:libmanagement} removing
+a concept from the library also involves deleting its metadata from the
+database.
+
+For non collaborative development, full versioning can be avoided, but
+invalidation is still required. Since nobody else is relying on the
+user development, the user is free to change and invalidate part of the library
+without branching. Invalidation is still necessary to avoid using a
+concept that is no longer valid.
+So far, in \MATITA{} we address only this non collaborative scenario
+(see Sect.~\ref{sec:libmanagement}). Collaborative development and versioning
+is still under design.
+
+Scripts are not seen as constituents of the library. They are not published
+and indexed, so they cannot be searched or browsed using \HELM{} tools.
+However, they play a central role for the maintenance of the library.
+Indeed, once a concept is invalidated, the only way to restore it is to
+fix the possibly broken script that used to generate it.
+Moreover, during the authoring phase, scripts are a natural way to
+group concepts together. They also constitute a less fine grained clustering
+of concepts for invalidation.
+
+In the rest of this section we present in more details the functionalities of
+\MATITA{} related to library management and exploitation.
+Sect.~\ref{sec:authoring} is devoted to the description of the peculiarities of
+the \MATITA{} authoring interface.
+
+\subsection{Indexing and searching}
+\label{sec:indexing}
+
+The \MATITA{} system is first of all an interface between the user and
+the mathematical library. For this reason, it is important to be
+able to search and retrieve mathematical concepts in a quick and 
+effective way, assuming as little knowledge as possible about the 
+library. To this aim, \MATITA{} uses a sophisticated indexing mechanism
+for mathematical concepts, based on a rich metadata set that has been 
+tuned along the European project \MOWGLIIST{} \MOWGLI. The metadata
+set, and the searching facilities built on top of them --- collected 
+in the so called \WHELP{} search engine --- have been
+extensively described in~\cite{whelp}. Let us just recall here that
+the \WHELP{} metadata model is essentially based on a single ternary relation 
+\REF{p}{s}{t} stating that a concept $s$ refers a concept $t$ at a
+given position $p$, where the position specify the place of the 
+occurrence of $t$ inside $s$ (we currently work with a fixed set of 
+positions, discriminating the hypothesis from the conclusion and
+outermost form innermost occurrences). This approach is extremely 
+flexible, since extending the set of positions 
+we may improve the granularity and the precision of our indexing technique,
+with no additional architectural impact.
+
+Every time a new mathematical concept is created and saved by the user it gets 
+indexed, and becomes immediately visible in the library. Several 
+interesting and innovative features of \MATITA{} described in the following
+sections rely in a direct or indirect way on its metadata system and
+the search functionalities. Here, we shall just recall some of its most
+direct applications.
+
+A first, very simple but not negligible feature is the \emph{duplicate check}.
+As soon as a theorem is stated, just before starting its proof, 
+the library is searched 
+to check that no other equivalent statement has been already proved
+(based on the pattern matching functionality of \WHELP); if this is the case,
+a warning is raised to the user. At present, the notion of equivalence 
+adopted by \MATITA{} is convertibility, but we may imagine to weaken it 
+in the future, covering for instance isomorphisms~\cite{delahaye}.    
+
+Another useful \WHELP{} operation is \HINT; we may invoke this query
+at any moment during the authoring of a proof, resulting in the list
+of all theorems of the library which can be applied to the current
+goal. In practice, this is mostly used not really to discover what theorems
+can be applied to a given goal, but to actually retrieve a theorem that 
+we wish to apply, but whose name we have forgotten.
+In fact, even if \MATITA{} adopts a semi-rigid naming convention for 
+statements (see Sect.~\ref{sec:naming}) that greatly simplifies the effort
+of recalling names, the naming discipline remains one of the most
+annoying aspects of formal developments, and \HINT{} provides
+a very friendly solution.
+
+In the near future, we expect to extend the \HINT{} query to
+a \REWRITEHINT, resulting in all equational statements that
+can be applied to rewrite the current goal.
+
+\subsection{Disambiguation}
+\label{sec:disambiguation}
+
+Software applications that involve input of mathematical content should strive
+to require the user as less drift from informal mathematics as possible. We
+believe this to be a fundamental aspect of such applications user interfaces.
+The drift is still very large for
+proofs~\cite{debrujinfactor}, while better results may be achieved for
+mathematical formulae. In \MATITA{} formulae can be written using a
+\TeX-like syntax (corresponding to presentation level terms) and are then
+translated (in multiple steps) to partially specified terms as sketched in
+Sect.~\ref{sec:contentintro}.
+
+The key ingredient of the translation is the generic disambiguation algorithm
+implemented in the \texttt{disambiguation} component of Fig.~\ref{fig:libraries}
+and presented in~\cite{disambiguation}. In this section we detail how to use
+that algorithm in the context of the development of a library of formalized
+mathematics. We will see that using multiple passes of the algorithm, varying
+some of its parameters, helps in keeping the input terse without sacrificing
+expressiveness.
+
+\subsubsection{Disambiguation preferences}
+\label{sec:disambaliases}
+
+Consider the following command that states a theorem over integer numbers:
+
+\begin{grafite}
+theorem Zlt_compat:
+  \forall x,y,z. x < y \to y < z \to x < z.
+\end{grafite}
+
+The symbol \OP{<} is likely to be overloaded in the library
+(at least over natural numbers). 
+Thus, according to the disambiguation algorithm, two different
+refinable partially specified terms could be associated to it.
+\MATITA{} asks the user what interpretation he meant. However, to avoid
+posing the same question in case of a future re-execution (e.g. undo/redo),
+the choice must be recorded. Since scripts need to be re-executed after
+invalidation, the choice record must be permanently stored somewhere. The most
+natural place is the script itself.
+
+In \MATITA{} disambiguation is governed by \emph{disambiguation aliases}.
+They are mappings, stored in the library, from ambiguity sources
+(identifiers, symbols and literal numbers at the content level) to partially
+specified terms. In case of overloaded sources there exists multiple aliases
+with the same source. It is possible to record \emph{disambiguation
+preferences} to select one of the aliases of an overloaded source.
+
+Preferences can be explicitly given in the script (using the \texttt{alias}
+command), but
+are also implicitly added when a new concept is introduced (\emph{implicit
+preferences}) or after a successful disambiguation that did not require
+user interaction. Explicit preferences are added automatically by \MATITA{} to
+record the disambiguation choices of the user. For instance, after the
+disambiguation of the command above, the script is altered as follows:
+
+\begin{grafite}
+alias symbol "lt" = "integer 'less than'".
+theorem Zlt_compat:
+  \forall x,y,z. x < y \to y < z \to x < z.
+\end{grafite}
+
+The ``alias'' command in the example sets the preferred alias for the
+\OP{lt} symbol.
+
+Implicit preferences for new concepts are set since a concept just defined is
+likely to be the preferred one in the rest of the script. Implicit preferences
+learned from disambiguation of previous commands grant the coherence of
+the disambiguation in the rest of the script and speed up disambiguation
+reducing the search space.
+
+Disambiguation preferences are included in the lexicon status
+(see Sect.~\ref{sec:presentationintro}) that is part of the authoring interface
+status.  Unlike aliases, they are not part of the library.
+
+When starting a new authoring session the set of disambiguation preferences
+is empty. Until it contains a preference for each overloaded symbol to be
+used in the script, the user can be faced with questions from the disambiguator.
+To reduce the likelihood of user interactions, we introduced
+the \texttt{include} command. With \texttt{include} it is possible to import
+at once in the current session the set of preferences that was in effect
+at the end of the execution of a given script.
+The inclusion mechanism is thus sensibly different from that of other systems
+where concepts are effectively loaded and made visibible by inclusion; in \MATITA{} 
+all concepts are always visible, and inclusion, that is optional, is only used 
+to set up preferences.
+
+Preferences can be changed. For instance, at the beginning of the development
+of integer numbers the preference for the symbol \OP{<} is likely
+to be the one over natural numbers; sooner or later it will be set to the one
+over integer numbers.
+
+Nothing forbids the set of preferences to become incoherent. For this reason
+the disambiguator cannot always respect the user preferences.
+Consider, for example:
+\begin{grafite}
+theorem Zlt_mono:
+  \forall x,y,k. x < y \to x < y + k.
+\end{grafite}
+
+No refinable partially specified term corresponds to the preferences:
+\OP{+} over natural numbers, \OP{<} over integer numbers. To overcome this
+limitation we organized disambiguation in \emph{multiple passes}: when the
+disambiguator fails, disambiguation is tried again with a less restrictive set of
+preferences.
+
+Several disambiguation parameters can vary among passes. With respect to
+preference handling we implemented three passes.  In the first pass, called
+\emph{mono-preferences}, we consider only the aliases corresponding to the
+current set of preferences.  In the second pass, called
+\emph{multi-preferences}, we
+consider every alias corresponding to a current or past preference.  For
+instance, in the example above disambiguation succeeds in the multi-preference
+pass. In the third pass, called \emph{library-preferences}, all aliases
+available in the library are considered.
+
+The rationale behind this choice is trying to respect user preferences in early
+passes that complete quickly in case of failure; later passes are slower but
+have more chances of success.
+
+\subsubsection{Operator instances}
+\label{sec:disambinstances}
+
+Consider now the following theorem, where \texttt{pos} injects natural numbers
+into positive integers:
+
+\begin{grafite}
+theorem lt_to_Zlt_pos_pos:
+  \forall n,m: nat. n < m \to pos n < pos m. 
+\end{grafite}
+and assume that there exist in the library aliases for \OP{<} over natural
+numbers and over integer numbers. None of the passes described above is able to
+disambiguate \texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos}, no matter how preferences are set.
+This is because the \OP{<} operator occurs twice in the content level term (it
+has two \emph{instances}) and two different interpretations for it have to be
+used in order to obtain a refinable partially specified term.
+
+To address this issue, we have the ability to consider each instance of a single
+symbol as a different ambiguous expression in the content level term,
+enabling the use of a different alias for each of them.
+Exploiting or not this feature is
+one of the disambiguation pass parameters. A disambiguation pass which exploit
+it is said to be using \emph{fresh instances} (opposed to a \emph{shared
+instances} pass).
+
+Fresh instances lead to a non negligible performance loss (since the choice of
+an alias for one instance does not constraint the choice of the others). For
+this reason we always attempt a fresh instances pass only after attempting a
+shared instances pass.
+
+%\paragraph{One-shot preferences} Disambiguation preferences as seen so far are
+%instance-independent. However, implicit preferences obtained as a result of a
+%disambiguation pass which uses fresh instances ought to be instance-dependent.
+%Informally, the set of preferences that can be respected by the disambiguator on
+%the theorem above is: ``the first instance of the \OP{<} symbol is over natural
+%numbers, while the second is on integer numbers''.
+
+Instance-dependent preferences are meaningful only for the term whose
+disambiguation generated them. For this reason we call them \emph{one-shot
+preferences} and \MATITA{} does not use them to disambiguate further terms in
+the script.
+
+\subsubsection{Implicit coercions}
+\label{sec:disambcoercions}
+
+Consider the following theorem about derivation:
+\begin{grafite}
+theorem power_deriv:
+  \forall n: nat, x: R. d x^n dx = n * x^(n - 1).
+\end{grafite}
+and assume that in the library there is an alias mapping \OP{\^} to a partially
+specified term having type: \texttt{R \TEXMACRO{to} nat \TEXMACRO{to} R}. In
+order to disambiguate \texttt{power\_deriv}, the occurrence of \texttt{n} on the
+right hand side of the equality need to be ``injected'' from \texttt{nat} to
+\texttt{R}.  The refiner of \MATITA{} supports
+\emph{implicit coercions}~\cite{barthe95implicit} for
+this reason: given as input the above presentation level term, it will return a
+partially specified term where in place of \texttt{n} the application of a
+coercion from \texttt{nat} to \texttt{R} appears (assuming such a coercion has
+been defined in advance).
+
+Implicit coercions are not always desirable. For example, consider the term
+\texttt{\TEXMACRO{forall} x. x < x + 1} and assume that the preferences for \OP{<}
+and \OP{+} are over real numbers. The expected interpretation assignes the 
+type \texttt{R} to \texttt{x}. 
+However, if we had a coercion from natural to real numbers an alternative
+interpretation is to assign the type \texttt{nat} to \texttt{x} inserting the coercion
+as needed. Clearly, the latter interpretation looks artificial and
+for this reason we enable coercions only in case of failure of previous 
+attempts.
+
+The choice of whether implicit coercions are enabled or not interacts with the
+choice about operator instances. Indeed, consider again
+\texttt{lt\_to\_Zlt\_pos\_pos}, which can be disambiguated using fresh operator
+instances. In case there exists a coercion from natural numbers to positive
+integers ({\texttt{pos} itself), the command 
+can be disambiguated as 
+\texttt{\TEXMACRO{forall} n,m: nat. pos n < pos m \TEXMACRO{to} pos n < pos m}. 
+This is not the expected interpretation; 
+by this and similar examples we choose to always prefer fresh
+instances over implicit coercions.
+
+\subsubsection{Disambiguation passes}
+\label{sec:disambpasses}
+
+According to the criteria described above, in \MATITA{} we perform the
+disambiguation passes depicted in Tab.~\ref{tab:disambpasses}. In
+our experience that choice gives reasonable performance and reduces the need
+of user interaction during the disambiguation.
+
+\begin{table}[ht]
+ \begin{center}
+  \begin{tabular}{c|c|c|c}
+   \multicolumn{1}{p{1.5cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Pass}}}
+   & \multicolumn{1}{p{3.1cm}|}{\centering\raisebox{-1.5ex}{\textbf{Preferences}}}
+   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}|}{\centering\textbf{Operator instances}}
+   & \multicolumn{1}{p{2.5cm}}{\centering\textbf{Implicit coercions}} \\
+   \hline
+   \PASS & Mono-preferences    & Shared instances  & Disabled \\
+   \PASS & Multi-preferences   & Shared instances  & Disabled \\
+   \PASS & Mono-preferences    & Fresh instances   & Disabled \\
+   \PASS & Multi-preferences   & Fresh instances   & Disabled \\
+   \PASS & Mono-preferences    & Fresh instances   & Enabled  \\
+   \PASS & Multi-preferences   & Fresh instances   & Enabled  \\
+   \PASS & Library-preferences  & Fresh instances   & Enabled
+  \end{tabular}
+ \end{center}
+ \caption{Disambiguation passes sequence\strut}
+ \label{tab:disambpasses}
+\end{table}
+
+\subsection{Invalidation and regeneration}
+\label{sec:libmanagement}
+
+%The aim of this section is to describe the way \MATITA{} 
+%preserves the consistency and the availability of the library
+%using the \WHELP{} technology, in response to the user alteration or 
+%removal of mathematical objects.
+%
+%As already sketched in Sect.~\ref{sec:fullyintro} what we generate 
+%from a script is split among two storage media, a
+%classical filesystem and a relational database. The former is used to
+%store the XML encoding of the objects defined in the script, the
+%disambiguation aliases and the interpretation and notational convention defined,
+%while the latter is used to store all the metadata needed by
+%\WHELP.
+%
+%While the consistency of the data store in the two media has
+%nothing to do with the nature of
+%the content of the library and is thus uninteresting (but really
+%tedious to implement and keep bug-free), there is a deeper
+%notion of mathematical consistency we need to provide. Each object
+%must reference only defined object (i.e. each proof must use only
+%already proved theorems). 
+
+In this section we will focus on how \MATITA{} ensures the library 
+consistency during the formalization of a mathematical theory, 
+giving the user the freedom of adding, removing, modifying objects
+without loosing the feeling of an always visible and browsable
+library.
+
+\subsubsection{Invalidation}
+
+Invalidation (see Sect.~\ref{sec:library}) is implemented in two phases.
+
+The first one is the computation of all the concepts that recursively
+depend on the ones we are invalidating. It can be performed
+from the metadata stored in the relational database.
+This technique is the same used by the \emph{Dependency Analyzer}
+and is described in~\cite{zack-master}.
+
+The second phase is the removal of all the results of the generation,
+metadata included.
+
+\subsubsection{Regeneration}
+
+%The typechecker component guarantees that if an object is well typed
+%it depends only on well typed objects available in the library,
+%that is exactly what we need to be sure that the logic consistency of
+%the library is preserved.
+
+To regenerate an invalidated part of the library \MATITA{} re-executes
+the scripts that produced the invalidated concepts.  The main 
+problem is to find a suitable order of execution of the scripts.
+
+For this purpose we provide a tool called \MATITADEP{}
+that takes in input the list of scripts that compose the development and
+outputs their dependencies in a format suitable for the GNU \texttt{make}
+tool.\footnote{\url{http://www.gnu.org/software/make/}}
+The user is not asked to run \MATITADEP{} by hand, but
+simply to tell \MATITA{} the root directory of his development (where all
+script files can be found) and \MATITA{} will handle all the generation
+related tasks, including dependencies calculation.
+
+To compute dependencies it is enough to look at the script files for
+literal of included explicit disambiguation preferences
+(see Sect.~\ref{sec:disambaliases}). 
+
+The re-execution of a script to regenerate part of the library
+requires the preliminary invalidation of the concepts generated by the
+script.
+
+\subsubsection{Batch vs Interactive}
+
+\MATITA{} includes an interactive authoring interface and a batch
+``compiler'' (\MATITAC). 
+
+Only the former is intended to be used directly by the
+user, the latter is automatically invoked by \MATITA{}
+to regenerate parts of the library previously invalidated.
+
+While they share the same engine for generation and invalidation, they
+provide different granularity. \MATITAC{} is only able to re-execute a
+whole script and similarly to invalidate all the concepts generated
+by a script (together with all the other scripts that rely on a concept defined
+in it). 
+
+\subsection{Automation}
+\label{sec:automation}
+
+In the long run, one would expect to work with a proof assistant 
+like \MATITA, using only three basic tactics: \TAC{intro}, \TAC{elim},
+and \TAC{auto}
+(possibly integrated by a moderate use of \TAC{cut}). The state of the art
+in automated deduction is still far away from this goal, but 
+this is one of the main development direction of \MATITA. 
+
+Even in this field, the underlying philosophy of \MATITA{} is to 
+free the user from any burden relative to the overall management
+of the library. For instance, in \COQ, the user is responsible to 
+define small collections of theorems to be used as a parameter 
+by the \TAC{auto} tactic;
+in \MATITA, it is the system itself that automatically retrieves, from
+the whole library, a subset of theorems worth to be considered 
+according to the signature of the current goal and context. 
+
+The basic tactic merely iterates the use of the \TAC{apply} tactic
+(with no \TAC{intro}). The search tree may be pruned according to two
+main parameters: the \emph{depth} (whit the obvious meaning), and the 
+\emph{width} that is the maximum number of (new) open goals allowed at
+any instant. \MATITA{} has only one notion of metavariable, corresponding
+to the so called existential variables of \COQ; so, \MATITA's \TAC{auto}
+tactic should be compared with \COQ's \TAC{EAuto} tactic.
+
+Recently we have extended automation with paramodulation based 
+techniques. At present, the system works reasonably well with
+equational rewriting, where the notion of equality is parametric
+and can be specified by the user: the system only requires 
+a proof of {\em reflexivity} and {\em paramodulation} (or rewriting, 
+as it is usually called in the proof assistant community).
+
+Given an equational goal, \MATITA{} recovers all known equational facts
+from the library (and the local context), applying a variant of
+the so called {\em given-clause algorithm}~\cite{paramodulation}, 
+that is the the procedure currently used by the majority of modern
+automatic theorem provers. 
+
+The given-clause algorithm is essentially composed by an alternation
+of a \emph{saturation} phase and a \emph{demodulation} phase.
+The former derives new facts by a set of active
+facts and a new \emph{given} clause suitably selected from a set of passive
+equations. The latter tries to simplify the equations
+orienting them according to a suitable weight associated to terms.
+\MATITA{} currently supports several different weighting functions
+comprising Knuth-Bendix ordering (kbo) and recursive path ordering (rpo), 
+that integrates particularly well with normalization.
+
+Demodulation alone is already a quite powerful technique, and 
+it has been turned into a tactic by itself: the \TAC{demodulate}
+tactic, which can be seen as a kind of generalization of \TAC{simplify}. 
+The following portion of script describes two
+interesting cases of application of this tactic (both of them relying 
+on elementary arithmetic equations):
+
+\begin{grafite}
+theorem example1: 
+  \forall x: nat. (x+1)*(x-1) = x*x - 1.
+intro.
+apply (nat_case x);
+  [ simplify; reflexivity
+  | intro; demodulate; reflexivity ]
+qed.
+\end{grafite}
 
-At the bottom of the DAG we have a few libraries (\texttt{extlib},
-\texttt{xml} and the \texttt{registry}) that provide a core of
-useful functions used everywhere else. In particular, the \texttt{xml} library
-to easily represent, parse and pretty-print XML files is a central component
-since in HELM every piece of information is stored in \ldots. [FINIRE]
-The other basic libraries provide often needed operations over generic
-data structures (\texttt{extlib}) and central storage for configuration options
-(the \texttt{registry}).
+\begin{grafite}
+theorem example2: 
+  \forall x,y: nat. (x+y)*(x+y) = x*x + 2*x*y + y*y.
+intros; demodulate; reflexivity
+qed.
+\end{grafite}
 
-\texttt{urimanager}
+In the future we expect to integrate applicative and equational 
+rewriting. In particular, the overall idea would be to integrate
+applicative rewriting with demodulation, treating saturation as an
+operation to be performed in batch mode, e.g. during the night. 
 
-\texttt{getter}
+\subsection{Naming convention}
+\label{sec:naming}
 
-\texttt{cic}
+A minor but not entirely negligible aspect of \MATITA{} is that of
+adopting a (semi)-rigid naming convention for concept names, derived by 
+our studies about metadata for statements. 
+The convention is only applied to theorems 
+(not definitions), and relates theorem names to their statements.
+The basic rules are the following:
+\begin{itemize}
 
-\section{Partially specified terms}
---- il mondo delle tattiche e dintorni ---
-serve una intro che almeno cita il widget (per i patterns) e che fa
-il resoconto delle cose che abbiamo e che non descriviamo,
-sottolineando che abbiamo qualcosa da dire sui pattern e sui
-tattichini.\\
+ \item each name is composed by an ordered list of (short)
+  identifiers occurring in a left to right traversal of the statement; 
 
+ \item all names should (but this is not strictly compulsory) 
+  separated by an underscore;
 
+ \item names occurring in two different hypotheses, or in an hypothesis
+  and in the conclusion must be separated by the string \texttt{\_to\_};
+
+ \item the identifier may be followed by a numerical suffix, or a
+  single or double apostrophe.
+
+\end{itemize}
+
+Take for instance the statement:
+\begin{grafite}
+\forall n: nat. n = plus n O
+\end{grafite}
+Possible legal names are: \texttt{plus\_n\_O}, \texttt{plus\_O}, 
+\texttt{eq\_n\_plus\_n\_O} and so on.
+
+Similarly, consider the statement
+\begin{grafite}
+\forall n,m: nat. n < m to n \leq m
+\end{grafite}
+In this case \texttt{lt\_to\_le} is a legal name, 
+while \texttt{lt\_le} is not.
+
+But what about, say, the symmetric law of equality? Probably you would like 
+to name such a theorem with something explicitly recalling symmetry.
+The correct approach, 
+in this case, is the following. You should start with defining the 
+symmetric property for relations:
+\begin{grafite}
+definition symmetric \def
+  \lambda A: Type. \lambda R. \forall x,y: A.
+    R x y \to R y x.
+\end{grafite}
+Then, you may state the symmetry of equality as:
+\begin{grafite}
+\forall A: Type. symmetric A (eq A)
+\end{grafite}
+and \texttt{symmetric\_eq} is a legal name for such a theorem. 
+
+So, somehow unexpectedly, the introduction of semi-rigid naming convention
+has an important beneficial effect on the global organization of the library, 
+forcing the user to define abstract concepts and properties before 
+using them (and formalizing such use).
+
+Two cases have a special treatment. The first one concerns theorems whose
+conclusion is a (universally quantified) predicate variable, i.e. 
+theorems of the shape
+$\forall P,\dots,.P(t)$.
+In this case you may replace the conclusion with the string
+\texttt{elim} or \texttt{case}.
+For instance the name \texttt{nat\_elim2} is a legal name for the double
+induction principle.
+
+The other special case is that of statements whose conclusion is a
+match expression. 
+A typical example is the following:
+\begin{grafite}
+\forall n,m: nat. 
+  match (eqb n m) with
+  [ true  \Rightarrow n = m 
+  | false \Rightarrow n \neq m ]
+\end{grafite}
+where \texttt{eqb} is boolean equality.
+In this cases, the name can be build starting from the matched
+expression and the suffix \texttt{\_to\_Prop}. In the above example, 
+\texttt{eqb\_to\_Prop} is accepted. 
+
+\section{The authoring interface}
+\label{sec:authoring}
+
+The authoring interface of \MATITA{} is very similar to Proof
+General~\cite{proofgeneral}.  We
+chose not to build the \MATITA{} UI over Proof General for two reasons. First
+of all we wanted to integrate our XML-based rendering technologies, mainly
+\GTKMATHVIEW, in the UI.
+At the time of writing Proof General supports only text based
+rendering.\footnote{This may change with future releases of Proof General
+based on Eclipse (\url{http://www.eclipse.org/}), but is not yet the
+case.} The second reason is that we wanted
+to build the \MATITA{} UI on top of a state-of-the-art and widespread graphical
+toolkit as \GTK{} is.
+
+Fig.~\ref{fig:screenshot} is a screenshot of the \MATITA{} authoring interface,
+featuring two windows. The background one is very like to the Proof General
+interface. The main difference is that we use the \GTKMATHVIEW{} widget to
+render sequents. Since \GTKMATHVIEW{} renders \MATHML{} markup we take
+advantage of the whole bidimensional mathematical notation. The foreground
+window is an instance of the cicBrowser (see Sect.~\ref{sec:library}) used to
+render in natural language the proof being developed.
+
+Note that the syntax used in the script view is \TeX-like, but
+Unicode\footnote{\url{http://www.unicode.org/}} is 
+also fully supported so that mathematical glyphs can be input as such.
+
+\begin{figure}[!ht]
+ \begin{center}
+  \includegraphics[width=0.95\textwidth]{pics/matita-screenshot}
+  \caption{Authoring interface\strut}
+  \label{fig:screenshot}
+ \end{center}
+\end{figure}
+
+Since the concepts of script based proof authoring are well-known, the
+remaining part of this section is dedicated to the distinguishing
+features of the \MATITA{} authoring interface.
+
+\subsection{Direct manipulation of terms}
+\label{sec:directmanip}
+
+While terms are input as \TeX-like formulae in \MATITA, they are converted to a
+mixed \MATHML+\BOXML{} markup for output purposes and then rendered by
+\GTKMATHVIEW. As described in~\cite{latexmathml} this mixed choice enables both
+high-quality bidimensional rendering of terms (including the use of fancy
+layout schemata like radicals and matrices) and the use of a
+concise and widespread textual syntax.
+
+Keeping pointers from the presentations level terms down to the
+partially specified ones, \MATITA{} enables direct manipulation of
+rendered (sub)terms in the form of hyperlinks and semantic selection.
+
+\emph{Hyperlinks} have anchors on the occurrences of constant and
+inductive type constructors and point to the corresponding definitions
+in the library. Anchors are available notwithstanding the use of
+user-defined mathematical notation: as can be seen on the right of
+Fig.~\ref{fig:directmanip}, where we clicked on $\nmid$, symbols
+encoding complex notations retain all the hyperlinks of constants or
+constructors used in the notation.
+
+\emph{Semantic selection} enables the selection of mixed
+\MATHML+\BOXML{} markup, constraining the selection to markup
+representing meaningful CIC (sub)terms. In the example on the left of
+Fig.~\ref{fig:directmanip} is thus possible to select the subterm
+$\mathrm{prime}~n$, whereas it would not be possible to select
+$\to n$ since the former denotes an application while the
+latter is not a subterm. Once a meaningful (sub)term has been
+selected actions like reductions or tactic applications can be performed on it.
+
+\begin{figure}[!ht]
+ \begin{center}
+  \includegraphics[width=0.40\textwidth]{pics/matita-screenshot-selection}
+  \hspace{0.05\textwidth}
+  \raisebox{0.4cm}{\includegraphics[width=0.50\textwidth]{pics/matita-screenshot-href}}
+  \caption[Semantic selection and hyperlinks]{Semantic selection (on the left)
+  and hyperlinks (on the right)\strut}
+  \label{fig:directmanip}
+ \end{center}
+\end{figure}
 
 \subsection{Patterns}
-Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
-selection.
+\label{sec:patterns}
+
+In several situations working with direct manipulation of terms is 
+simpler and faster than typing the corresponding textual 
+commands~\cite{proof-by-pointing}.
+Nonetheless we need to record actions and selections in scripts.
 
-Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
-widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
-on. While this is an extremely intuitive way for the user to
-restrict the application of tactics, for example, to some subterms of the
-conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
-script is not obvious.\\
-In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
+In \MATITA{} \emph{patterns} are textual representations of selections.
+Users can select using the GUI and then ask the system to paste the
+corresponding pattern in this script. More often this process is
+transparent to the user: once an action is performed on a selection,
+the corresponding
+textual command is computed and inserted in the script.
 
 \subsubsection{Pattern syntax}
-A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
-$\NT{wanted}$.
-The former mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms with $?$ and
-selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
-The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
-
-The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
-\NOTE{uso nomi diversi dalla grammatica ma che hanno + senso}
+
+Patterns are composed of two parts: \NT{sequent\_path} and
+\NT{wanted}; their concrete syntax is reported in Tab.~\ref{tab:pathsyn}.
+
+\NT{sequent\_path} mocks-up a sequent, discharging unwanted subterms
+with \OP{?} and selecting the interesting parts with the placeholder
+\OP{\%}.  \NT{wanted} is a term that lives in the context of the
+placeholders.
+
+Textual patterns produced from a graphical selection are made of the
+\NT{sequent\_path} only. Such patterns can represent every selection,
+but are quite verbose. The \NT{wanted} part of the syntax is meant to
+help the users in writing concise and elegant patterns by hand.
+
 \begin{table}
- \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
+ \caption{Patterns concrete syntax\strut}
+ \label{tab:pathsyn}
 \hrule
 \[
 \begin{array}{@{}rcll@{}}
   \NT{pattern} & 
-    ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
+    ::= & [~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]~[~\verb+match+~\NT{wanted}~] & \\
   \NT{sequent\_path} & 
     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
-  \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
+  \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
 \end{array}
 \]
 \hrule
 \end{table}
 
-\subsubsection{How patterns work}
-Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
-selects roots (subterms) of the sequent, using the
-$\NT{sequent\_path}$,  while the second 
-one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
-optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
-conclusion.
+\subsubsection{Pattern evaluation}
+
+Patterns are evaluated in two phases. The first selects roots
+(subterms) of the sequent, using the \NT{sequent\_path}, while the
+second searches the \NT{wanted} term starting from that roots.
+% Both are optional steps, and by convention the empty pattern selects
+% the whole conclusion.
 
 \begin{description}
 \item[Phase 1]
-  concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
-  part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
-  selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
-  will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
-  If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
-  If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
-  these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
-  assumption is selected. Remember that the user can be mostly
-  unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
-  $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
-  \NOTE{Questo ancora non va in matita}
-
-  A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
-  is allowed.
-  The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
-  is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
-  selects the whole term, is simply $\%$.
-  Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
-  that respectively select the first argument of an application or
-  the source of an arrow and the head of the application that is
-  found in the arrow target.
-
-  The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
-  their context that will be eventually used in the second phase.
+  concerns only \NT{sequent\_path}. \NT{ident} is an hypothesis name and selects
+  the assumption where the following optional \NT{multipath} will operate.
+  \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.  If the whole pattern
+  is omitted, the whole goal will be selected.  If one or more hypothesis names
+  are given, the selection is restricted to that assumptions. If a
+  $\NT{multipath}$ is omitted the whole assumption is selected. Remember that
+  the user can be mostly unaware of patterns concrete syntax, since the system
+  is able to write down a \NT{sequent\_path} starting from a graphical
+  selection.
+
+  A \NT{multipath} is a CIC term in which a special constant \OP{\%} is allowed.
+  The roots of discharged subterms are marked with \OP{?}, while \OP{\%} is used
+  to select roots.  The default \NT{multipath}, the one that selects the whole
+  term, is simply \OP{\%}.  Valid \NT{multipath} are, for example, \texttt{(? \%
+  ?)} or \texttt{\% \TEXMACRO{to} (\% ?)} that respectively select the first
+  argument of an application or the source of an arrow and the head of the
+  application that is found in the arrow target.
+
+  This phase not only selects terms (roots of subterms) but determines also
+  their context that will be possibly used in the next phase.
 
 \item[Phase 2] 
-  plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
-  part is specified. From the first phase we have some terms, that we
-  will see as subterm roots, and their context. For each of these
-  contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
-  corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
-  $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
+  plays a role only if \NT{wanted} is specified. From the first phase we
+  have some terms, that we will use as roots, and their context.
+  For each of these contexts the \NT{wanted} term is disambiguated in it
+  and the corresponding root is searched for a subterm that can be unified to
+  \NT{wanted}. The result of this search is the selection the
   pattern represents.
 
 \end{description}
 
-\noindent
-Since the first step is equipotent to the composition of the two
-steps, the system uses it to represent each visual selection.
-The second step is only meant for the
-experienced user that writes patterns by hand, since it really
-helps in writing concise patterns as we will see in the
-following examples.
-
 \subsubsection{Examples}
-To explain how the first step works let's give an example. Consider
-you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
-sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
-injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
-Typing
-\begin{grafite}
-theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
-  intros (n m H).
-\end{grafite}
-\noindent
-leads you to the following sequent 
-\sequent{
-n:nat\\
-m:nat\\
-H: m + n = n}{
-m=O
-}
-\noindent
-where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
-hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
+
+Consider the following sequent:
+\sequent{n: nat\\m: nat\\H: m + n = n}{m = O}
+
+To change the right part of the equality of the $H$
+hypothesis with $O + n$, the user selects and pastes it as the pattern
+in the following statement.
 \begin{grafite}
   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
 \end{grafite}
-\noindent
-This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
-grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) $(eq~nat~(m+n)~n)$
-and discharges the head of the application and the first two arguments with a
-$?$ and selects the last argument with $\%$. The syntax may seem uncomfortable,
-but the user can simply select with the mouse the right part of the equivalence
-and left to the system the burden of writing down in the script file the
-corresponding pattern with $?$ and $\%$ in the right place (that is not
-trivial, expecially where implicit arguments are hidden by the notation, like
-the type $nat$ in this example).
-
-Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
-works too and can be done, by the experienced user, writing directly
-a simpler pattern that uses the second phase.
+
+To understand the pattern (or produce it by hand) the user should be aware that
+the notation $m + n = n$ hides the term $\mathrm{eq}~\mathrm{nat}~(m + n)~n$, so
+that the pattern selects only the third argument of $\mathrm{eq}$.
+
+The experienced user may also write by hand a concise pattern to change at once
+all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$:
 \begin{grafite}
-  change in match n in H with (O + n).
+  change in H match n with (O + n).
 \end{grafite}
-\noindent
-In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
-the second phase searches the wanted $n$ inside it by
-$\alpha$-equivalence. The resulting
-equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
-occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
-
-Just for completeness the second pattern is equivalent to the
-following one, that is less readable but uses only the first phase.
+
+In this case the \NT{sequent\_path} selects the whole $H$, while
+the second phase locates $n$.
+
+The latter pattern is equivalent to the following one, that the system
+can automatically generate from the selection.
 \begin{grafite}
   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
 \end{grafite}
-\noindent
-
-\subsubsection{Tactics supporting patterns}
-In \MATITA{} all the tactics that can be restricted to subterm of the working
-sequent accept the pattern syntax. In particular these tactics are: simplify,
-change, fold, unfold, generalize, replace and rewrite.
-
-\NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano phase 2. per
-supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
-in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
-con una pattern\_of(select(pattern))}
-
-\subsubsection{Comparison with Coq}
-Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
-subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
-a term occurrence.
-
-The first way is to use this special syntax to specify directly to the
-tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
-the second is to prepare the sequent with another tactic called
-pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
+
+\subsubsection{Comparison with \COQ{}}
+
+In \MATITA{} all the tactics that act on subterms of the current sequent
+accept pattern arguments. Additional arguments can be disambiguated in the
+contexts of the terms selected by the pattern
+(\emph{context-dependent arguments}).
+
+%\NOTE{attualmente rewrite e fold non supportano fase 2. per
+%supportarlo bisogna far loro trasformare il pattern phase1+phase2 
+%in un pattern phase1only come faccio nell'ultimo esempio. lo si fa
+%con una pattern\_of(select(pattern))}
+
+\COQ{} has two different ways of restricting the application of tactics to
+subterms of the current sequent, both relying on the same special syntax to
+identify a term occurrence.
+
+The first way is to use this special syntax to tell the
+tactic what occurrences of a wanted term should be affected.
+The second is to prepare the sequent with another tactic called
+\TAC{pattern} and then apply the real tactic. Note that the choice is not
 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
 with pattern and do not accept directly this special syntax.
 
-The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
-write it and say that we want, for example, the third and the fifth
-occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
+The idea is that to identify a subterm of the sequent we can
+write it and say that we want, for example, its third and fifth
+occurrences (counting from left to right). In our previous example,
 to change only the left part of the equivalence, the correct command
-is
+would be:
 \begin{grafite}
   change n at 2 in H with (O + n)
 \end{grafite} 
-\noindent
-meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
-second we encounter proceeding from left toright.
+meaning that in the hypothesis \texttt{H} the \texttt{n} we want to change is
+the second we encounter proceeding from left to right.
 
-The tactic pattern computes a
+The tactic \TAC{pattern} computes a
 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
 occurrences of the given term. In the previous example the following
-command
+command:
 \begin{grafite}
   pattern n at 2 in H
 \end{grafite}
-\noindent
-would have resulted in this sequent
-\begin{grafite}
-  n : nat
-  m : nat
-  H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
-  ============================
-   m = 0
-\end{grafite}
-\noindent
-where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
-occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
-the head of the application (since the unification is essentially
-first-order) but normally operate on the arguments. 
-This works for some tactics, like rewrite and replace,
-but for example not for change and other tactics that do not relay on
-unification. 
+would have resulted in the sequent:
+\sequent{n: nat\\m : nat\\H: (fun n0: nat => m + n = n0) n}{m = 0}
+where \texttt{H} is $\beta$-expanded over the second \texttt{n}
+occurrence. 
+
+At this point, since \COQ{} unification algorithm is essentially first-order,
+the application of an elimination principle (of the form $\forall P.\forall
+x.(H~x)\to (P~x)$) will unify \texttt{x} with \texttt{n} and \texttt{P} with
+\texttt{(fun n0: nat => m + n = n0)}.
+
+Since \TAC{rewrite}, \TAC{replace} and several other tactics boils down to
+the application of the equality elimination principle, the previous
+trick implements the expected behavior.
 
 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
-from the idea behind patterns, but really fails in extending to
-complex notation, since it relays on a mono-dimensional sequent representation.
+from the idea behind patterns, but fails in extending to
+complex notation, since it relies on a mono-dimensional sequent representation.
 Real math notation places arguments upside-down (like in indexed sums or
 integrations) or even puts them inside a bidimensional matrix.  
 In these cases using the mouse to select the wanted term is probably the 
-only way to tell the system exactly what you want to do. 
+more effective way to tell the system what to do. 
 
-One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
+One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techniques, and
 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
-using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
+using heavy math notation would have definitively been a bad choice.
 
-\subsection{Tacticals}
-There are mainly two kinds of languages used by proof assistants to recorder
-proofs: tactic based and declarative. We will not investigate the philosophy
-aroud the choice that many proof assistant made, \MATITA{} included, and we
-will not compare the two diffrent approaches. We will describe the common
-issues of the tactic-based language approach and how \MATITA{} tries to solve
-them.
-
-\subsubsection{Tacticals overview}
-
-Tacticals first appeared in LCF and can be seen as programming
-constructs, like looping, branching, error recovery or sequential composition.
-The following simple example shows three tacticals in action
+In \MATITA{}, tactics accepting pattern arguments can be more expressive than
+the equivalent tactics in \COQ{} since variables bound in the pattern context,
+can occur in context-dependent arguments. For example, consider the sequent:
+\sequent{n: nat\\x: nat\\H: \forall m. n + m*n = x + m}{m = O}
+In \MATITA{} the user can issue the command:
 \begin{grafite}
-theorem trivial: 
-  \forall A,B:Prop. 
-    A = B \to ((A \to B) \land (B \to A)).
-  intros (A B H).
-  split; intro; 
-    [ rewrite < H. assumption.
-    | rewrite > H. assumption.
-    ]
-qed.
+change in H: \forall _. (? ? % ?) with (S m) * n.
 \end{grafite}
+to change $n+m*n$ with $(S~m)*n$. To achieve the same effect in \COQ, the
+user is obliged to change the whole hypothesis rewriting its right hand side
+as well.
+
+\subsection{Tacticals}
+\label{sec:tinycals}
+
+The procedural proof language implemented in \MATITA{} is pretty standard,
+with a notable exception for tacticals.
 
-The first is ``\texttt{;}'' that combines the tactic \texttt{split}
-with \texttt{intro}, applying the latter to each goal opened by the
-former. Then we have ``\texttt{[}'' that branches on the goals (here
-we have two goals, the two sides of the logic and).
-The first goal $B$ (with $A$ in the context)
-is proved by the first sequence of tactics
-\texttt{rewrite} and \texttt{assumption}. Then we move to the second
-goal with the separator ``\texttt{|}''. The last tactical we see here
-is ``\texttt{.}'' that is a sequential composition that selects the
-first goal opened for the following tactic (instead of applying it to
-them all like ``\texttt{;}''). Note that usually ``\texttt{.}'' is
-not considered a tactical, but a sentence terminator (i.e. the
-delimiter of commands the proof assistant executes).
-
-Giving serious examples here is rather difficult, since they are hard
-to read without the interactive tool. To help the reader in
-understanding the following considerations we just give few common
-usage examples without a proof context.
+Tacticals first appeared in LCF~\cite{lcf} as higher order tactics.
+They can be seen as control flow constructs like looping, branching,
+error recovery and sequential composition. 
 
+The following simple example shows a \COQ{} script made of four dot-terminated
+commands:
 \begin{grafite}
-  elim z; try assumption; [ ... | ... ].
-  elim z; first [ assumption | reflexivity | id ].
+Theorem trivial: 
+  forall A B:Prop,
+    A = B -> ((A -> B) /\ (B -> A)).
+  intros [A B H].
+  split; intro; 
+    [ rewrite < H; assumption
+    | rewrite > H; assumption
+    ].
+Qed.
 \end{grafite}
 
-The first example goes by induction on a term \texttt{z} and applies
-the tactic \texttt{assumption} to each opened goal eventually recovering if
-\texttt{assumption} fails. Here we are asking the system to close all
-trivial cases and then we branch on the remaining with ``\texttt{[}''.
-The second example goes again by induction on \texttt{z} and tries to
-close each opened goal first with \texttt{assumption}, if it fails it
-tries \texttt{reflexivity} and finally \texttt{id}
-that is the tactic that leaves the goal untouched without failing. 
-
-Note that in the common implementation of tacticals both lines are
-compositions of tacticals and in particular they are a single
-statement (i.e. derived from the same non terminal entry of the
-grammar) ended with ``\texttt{.}''. As we will see later in \MATITA{}
-this is not true, since each atomic tactic or punctuation is considered 
-a single statement.
-
-\subsubsection{Common issues of tactic(als)-based proof languages}
-We will examine the two main problems of tactic(als)-based proof script:
+The third command is an application of the sequencing tactical \OP{$\ldots$~;~$\ldots$},
+that combines the tactic \TAC{split} with the application of the branching
+tactical \OP{$\ldots$~;[~$\ldots$~|~$\ldots$~|~$\ldots$~]} to other tactics or tacticals.
+
+The usual implementation of tacticals executes them atomically as any
+other command. In \MATITA{} this is not the case: each punctuation
+symbol is executed as a single command.
+
+\subsubsection{Common issues of tacticals}
+We will examine the two main problems of procedural proof languages:
 maintainability and readability. 
 
-Huge libraries of formal mathematics have been developed, and backward
-compatibility is a really time consuming task. \\
-A real-life example in the history of \MATITA{} was the reordering of
-goals opened by a tactic application. We noticed that some tactics
-were not opening goals in the expected order. In particular the
-\texttt{elim} tactic on a term of an inductive type with constructors
-$c_1, \ldots, c_n$ used to open goals in order $g_1, g_n, g_{n-1}
-\ldots, g_2$. The library of \MATITA{} was still in an embryonic state
-but some theorems about integers were there. The inductive type of
-$\mathcal{Z}$ has three constructors: $zero$, $pos$ and $neg$. All the
-induction proofs on this type where written without tacticals and,
-obviously, considering the three induction cases in the wrong order.
-Fixing the behavior of the tactic broke the library and two days of
-work were needed to make it compile again. The whole time was spent in
-finding the list of tactics used to prove the third induction case and
-swap it with the list of tactics used to prove the second case.  If
-the proofs was structured with the branch tactical this task could
-have been done automatically. 
-
-From this experience we learned that the use of tacticals for
-structuring proofs gives some help but may have some drawbacks in
-proof script readability. We must highlight that proof scripts
-readability is poor by itself, but in conjunction with tacticals it
-can be nearly impossible. The main cause is the fact that in proof
-scripts there is no trace of what you are working on. It is not rare
-for two different theorems to have the same proof script (while the
-proof is completely different).\\
-Bad readability is not a big deal for the user while he is
-constructing the proof, but is considerably a problem when he tries to
-reread what he did or when he shows his work to someone else.  The
-workaround commonly used to read a script is to execute it again
-step-by-step, so that you can see the proof goal changing and you can
-follow the proof steps. This works fine until you reach a tactical.  A
-compound statement, made by some basic tactics glued with tacticals,
-is executed in a single step, while it obviously performs lot of proof
-steps.  In the fist example of the previous section the whole branch
-over the two goals (respectively the left and right part of the logic
-and) result in a single step of execution. The workaround doesn't work
-anymore unless you de-structure on the fly the proof, putting some
-``\texttt{.}'' where you want the system to stop.\\
-
-Now we can understand the tradeoff between script readability and
-proof structuring with tacticals. Using tacticals helps in maintaining
-scripts, but makes it really hard to read them again, cause of the way
-they are executed.
-
-\MATITA{} uses a language of tactics and tacticals, but tries to avoid
-this tradeoff, alluring the user to write structured proof without
-making it impossible to read them again.
-
-\subsubsection{The \MATITA{} approach: Tinycals}
+Tacticals are not only used to make scripts shorter by factoring out
+common cases and repeating commands. They are the primary way of making
+scripts more maintainable. They also have the well-known duty of
+structuring the proof using the branching tactical.
+
+However, authoring a proof structured with tacticals is annoying.
+Consider for example a proof by induction, and imagine you
+are using one of the state of the art graphical interfaces for proof assistant
+like Proof General. After applying the induction principle you have to choose:
+immediately structure the proof or postpone the structuring.
+If you decide for the former you have to apply the branching tactical and write
+at once tactics for all the cases. Since the user does not even know the
+generated goals yet, he can only replace all the cases with the identity
+tactic and execute the command, just to receive feedback on the first
+goal. Then he has to go one step back to replace the first identity
+tactic with the wanted one and repeat the process until all the
+branches are closed.
+
+One could imagine that a structured script is simpler to understand.
+This is not the case.
+A proof script, being not declarative, is not meant to be read.
+However, the user has the need of explaining it to others.
+This is achieved by interactively re-playing the script to show each
+intermediate proof status. Tacticals make this operation uncomfortable.
+Indeed, a tactical is executed atomically, while it is obvious that it
+performs lot of smaller steps we are interested in.
+To show the intermediate steps, the proof must be de-structured on the
+fly, for example replacing \OP{;} with \OP{.} where possible.
+
+\MATITA{} has a peculiar tacticals implementation that provides the
+same benefits as classical tacticals, while not burdening the user
+during proof authoring and re-playing.
+
+\subsubsection{The \MATITA{} approach}
 
 \begin{table}
- \caption{\label{tab:tacsyn} Concrete syntax of \MATITA{} tacticals.\strut}
+ \caption{Concrete syntax of tacticals\strut}
+ \label{tab:tacsyn}
 \hrule
 \[
 \begin{array}{@{}rcll@{}}
@@ -941,75 +1692,93 @@ making it impossible to read them again.
     ::= & \SEMICOLON \quad|\quad \DOT \quad|\quad \SHIFT \quad|\quad \BRANCH \quad|\quad \MERGE \quad|\quad \POS{\mathrm{NUMBER}~} & \\
   \NT{block\_kind} & 
     ::= & \verb+focus+ ~|~ \verb+try+ ~|~ \verb+solve+ ~|~ \verb+first+ ~|~ \verb+repeat+ ~|~ \verb+do+~\mathrm{NUMBER} & \\
-  \NT{block\_delimiter} & 
+  \NT{block\_delim} & 
     ::= & \verb+begin+ ~|~ \verb+end+ & \\
-  \NT{tactical} & 
-    ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delimiter} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} ~|~& \\
+  \NT{command} & 
+    ::= & \verb+skip+ ~|~ \NT{tactic} ~|~ \NT{block\_delim} ~|~ \NT{block\_kind} ~|~ \NT{punctuation} \\
 \end{array}
 \]
 \hrule
 \end{table}
 
-\MATITA{} tacticals syntax is reported in table \ref{tab:tacsyn}.
-While one would expect to find structured constructs like 
-$\verb+do+~n~\NT{tactic}$ the syntax allows pieces of tacticals to be written.
-This is essential for base idea behind matita tacticals: step-by-step execution.
+\MATITA{} tacticals syntax is reported in Tab.~\ref{tab:tacsyn}.
+LCF tacticals have been replaced by unstructured more primitive commands;
+every LCF tactical is semantically equivalent to a sequential composition of
+them. As usual, each command is executed atomically, so that a sequence
+corresponding to an LCF tactical is now executed in multiple steps.
+
+For instance, reconsider the previous example of a proof by induction.
+In \MATITA{} the user can apply the induction principle, and just
+open the branching punctuation symbol \OP{[}. Then he can interact with the
+system (applying tactics and so forth) until he decides to move to the
+next branch using \OP{|}. After the last branch, the punctuation symbol
+\OP{]} must be used to collect goals possibly left open, accordingly to
+the semantics of the LCF branching tactical \OP{$\ldots$~;[~$\ldots$~|~$\ldots$~|~$\ldots$~]}. The result effortlessly obtained is a structured script.
+
+The user is not forced to fully structure his script. If he wants, he
+can even write completely unstructured proofs using only the \OP{.}
+punctuation symbol.
+
+Re-playing a proof is also straightforward since there is no longer any need
+to manually destructure the proof.
+
+\section{Standard library}
+\label{sec:stdlib}
+
+\MATITA{} is \COQ{} compatible, in the sense that every theorem of \COQ{} can be
+read, checked and referenced in further developments.  However, in order to test
+the actual usability of the system, a new library of results has been started
+from scratch. In this case, of course, we wrote (and offer) the source scripts,
+while in the case of \COQ{} \MATITA{} may only rely on XML files of \COQ{}
+objects. 
+
+The current library just comprises about one thousand theorems in 
+elementary aspects of arithmetics up to the multiplicative property for 
+Eulers' totient function $\phi$.
+
+The library is organized in five main directories: \texttt{logic} (connectives,
+quantifiers, equality, \ldots), \texttt{datatypes} (basic datatypes and type
+constructors), \texttt{nat} (natural numbers), \texttt{Z} (integers), \texttt{Q}
+(rationals). The most complex development is \texttt{nat}, organized in 25
+scripts, listed in Tab.~\ref{tab:scripts}.
+
+\begin{table}[ht]
+ \begin{tabular}{lll}
+  \FILE{nat.ma}    & \FILE{plus.ma} & \FILE{times.ma}  \\
+  \FILE{minus.ma}  & \FILE{exp.ma}  & \FILE{compare.ma} \\
+  \FILE{orders.ma} & \FILE{le\_arith.ma} &  \FILE{lt\_arith.ma} \\   
+  \FILE{factorial.ma} & \FILE{sigma\_and\_pi.ma} & \FILE{minimization.ma}  \\
+  \FILE{div\_and\_mod.ma} & \FILE{gcd.ma} & \FILE{congruence.ma} \\
+  \FILE{primes.ma} & \FILE{nth\_prime.ma} & \FILE{ord.ma} \\
+  \FILE{count.ma}  & \FILE{relevant\_equations.ma} & \FILE{permutation.ma} \\ 
+  \FILE{factorization.ma} & \FILE{chinese\_reminder.ma} &
+  \FILE{fermat\_little\_th.ma} \\     
+  \FILE{totient.ma} & & \\
+ \end{tabular}
+ \caption{Scripts on natural numbers in the standard library\strut}
+ \label{tab:scripts}
+\end{table}
 
-The low-level tacticals implementation of \MATITA{} allows a step-by-step
-execution of a tactical, that substantially means that a $\NT{block\_kind}$ is
-not executed as an atomic operation. This has two major benefits for the user,
-even being a so simple idea:
-\begin{description}
-\item[Proof structuring] 
-  is much easier. Consider for example a proof by induction, and imagine you
-  are using classical tacticals in one of the state of the
-  art graphical interfaces for proof assistant like Proof General or Coq Ide.
-  After applying the induction principle you have to choose: structure
-  the proof or not. If you decide for the former you have to branch with
-  ``\texttt{[}'' and write tactics for all the cases separated by 
-  ``\texttt{|}'' and then close the tactical with ``\texttt{]}''. 
-  You can replace most of the cases by the identity tactic just to
-  concentrate only on the first goal, but you will have to go one step back and
-  one further every time you add something inside the tactical. Again this is
-  caused by the one step execution of tacticals and by the fact that to modify
-  the already executed script you have to undo one step.
-  And if you are board of doing so, you will finish in giving up structuring
-  the proof and write a plain list of tactics.\\
-  With step-by-step tacticals you can apply the induction principle, and just
-  open the branching tactical ``\texttt{[}''. Then you can interact with the
-  system reaching a proof of the first case, without having to specify any
-  tactic for the other goals. When you have proved all the induction cases, you
-  close the branching tactical with ``\texttt{]}'' and you are done with a 
-  structured proof. \\
-  While \MATITA{} tacticals help in structuring proofs they allow you to 
-  choose the amount of structure you want. There are no constraints imposed by
-  the system, and if the user wants he can even write completely plain proofs.
-  
-\item[Rereading]
-  is possible. Going on step by step shows exactly what is going on.  Consider
-  again a proof by induction, that starts applying the induction principle and
-  suddenly branches with a ``\texttt{[}''. This clearly separates all the
-  induction cases, but if the square brackets content is executed in one single
-  step you completely loose the possibility of rereading it and you have to
-  temporary remove the branching tactical to execute in a satisfying way the
-  branches.  Again, executing step-by-step is the way you would like to review
-  the demonstration. Remember that understanding the proof from the script is
-  not easy, and only the execution of tactics (and the resulting transformed
-  goal) gives you the feeling of what is going on.
-\end{description}
+We do not plan to maintain the library in a centralized way, 
+as most of the systems do. On the contrary we are currently
+developing Wiki-technologies to support collaborative 
+development of the library, encouraging people to expand, 
+modify and elaborate previous contributions.
+
+\section{Conclusions}
+\label{sec:conclusion}
 
+\TODO{conclusioni}
 
 \acknowledgements
-We would like to thank all the students that during the past
-five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
-the development of Matita, and in particular
-A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
-V.Tamburrelli.
+We would like to thank all the people that during the past
+7 years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
+the development of \MATITA{}, and in particular
+M.~Galat\`a, A.~Griggio, F.~Guidi, P.~Di~Lena, L.~Padovani, I.~Schena, M.~Selmi,
+and V.~Tamburrelli.
 
 \theendnotes
 
 \bibliography{matita}
 
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 \end{document}
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