]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - helm/software/matita/nlibrary/topology/igft.ma
...
[helm.git] / helm / software / matita / nlibrary / topology / igft.ma
index 3c97b9c25000735971c09018c1a1f4c42a6e86a3..6b2b73f881f5aa4ef29989ee24a763a212c459db 100644 (file)
@@ -1,4 +1,4 @@
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 Matita Tutorial: inductively generated formal topologies
 ======================================================== 
@@ -12,12 +12,27 @@ the formalization of the paper
 
 by S.Berardi and S. Valentini. The tutorial is by Enrico Tassi. 
 
+The tutorial spends a considerable amount of effort in defining 
+notations that resemble the ones used in the original paper. We believe
+this a important part of every formalization, not only for the estetic 
+point of view, but also from the practical point of view. Being 
+consistent allows to follow the paper in a pedantic way, and hopefully
+to make the formalization (at least the definitions and proved
+statements) readable to the author of the paper. 
+
 Orientering
 -----------
+                                 ? : A 
+apply (f : A -> B):    --------------------
+                            (f ? ) :   B
+
+                         f: A1 -> ... -> An -> B    ?1: A1 ... ?n: An
+apply (f : A -> B):    ------------------------------------------------
+                            apply f == f \ldots == f ? ... ? :   B
 
 TODO 
 
-buttons, PG-interaction-model, sequent window, script window
+buttons, PG-interaction-model, sequent window, script window, ncheck
 
 The library, inclusion of `sets/sets.ma`, notation defined: Ω^A.
 Symbols (see menu: View ▹ TeX/UTF-8 Table):
@@ -40,13 +55,14 @@ some notation attached to them:
 
 - A ∪ B `A \cup B`
 - A ∩ B `A \cap B` 
+- A ≬ B `A \between B`
 - x ∈ A `x \in A` 
 - Ω^A, that is the type of the subsets of A, `\Omega ^ A` 
 
 The `include` command tells Matita to load a part of the library, 
 in particular the part that we will use can be loaded as follows: 
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 include "sets/sets.ma".
 
@@ -65,7 +81,7 @@ nlemma subseteq_intersection_r: ∀A.∀U,V,W:Ω^A.W ⊆ U → W ⊆ V → W ⊆
 nqed. 
 (*UNHIDE*)
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 Some basic results that we will use are also part of the sets library:
 
@@ -77,7 +93,7 @@ Defining Axiom set
 
 records, projections, types of projections..
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 nrecord Ax : Type[1] ≝ { 
   S :> setoid;
@@ -85,7 +101,7 @@ nrecord Ax : Type[1] ≝ {
   C :  ∀a:S. I a → Ω ^ S
 }.
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 Note that the field `S` was declared with `:>` instead of a simple `:`.
 This declares the `S` projection to be a coercion. A coercion is 
@@ -121,12 +137,12 @@ Something that is not still satisfactory, in that the dependent type
 of `I` and `C` are abstracted over the Axiom set. To obtain the
 precise type of a term, you can use the `ncheck` command as follows.
 
-DOCEND*) 
+D*) 
 
 (* ncheck I. *)
 (* ncheck C. *)
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 One would like to write `I a` and not `I A a` under a context where
 `A` is an axiom set and `a` has type `S A` (or thanks to the coercion
@@ -136,11 +152,11 @@ infer. Matita performs some sort of type inference, thus writing
 `I ? a` is enough: since the second argument of `I` is typed by the 
 first one, the first one can be inferred just computing the type of `a`.
 
-DOCEND*) 
+D*) 
 
 (* ncheck (∀A:Ax.∀a:A.I ? a). *)
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 This is still not completely satisfactory, since you have always type 
 `?`; to fix this minor issue we have to introduce the notational
@@ -163,12 +179,12 @@ keyboard and what is displayed in the sequent window) and the content
 level is defined with the `notation` command. When followed by
 `>`, it defines an input (only) notation.   
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 notation > "𝐈 term 90 a" non associative with precedence 70 for @{ 'I $a }.
 notation > "𝐂 term 90 a term 90 i" non associative with precedence 70 for @{ 'C $a $i }.
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 The forst notation defines the writing `𝐈 a` where `a` is a generic
 term of precedence 90, the maximum one. This high precedence forces
@@ -188,12 +204,12 @@ new content element to which a term `$a` is passed.
 Content elements have to be interpreted, and possibly multiple, 
 incompatible, interpretations can be defined.
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 interpretation "I" 'I a = (I ? a).
 interpretation "C" 'C a i = (C ? a i).
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 The `interpretation` command allows to define the mapping between
 the content level and the terms level. Here we associate the `I` and
@@ -204,12 +220,12 @@ Interpretation are bi-directional, thus when displaying a term like
 `C _ a i`, the system looks for a presentation for the content element
 `'C a i`. 
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 notation < "𝐈  \sub( ❨a❩ )" non associative with precedence 70 for @{ 'I $a }.
 notation < "𝐂 \sub( ❨a,\emsp i❩ )" non associative with precedence 70 for @{ 'C $a $i }.
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 For output purposes we can define more complex notations, for example
 we can put bold parenteses around the arguments of `𝐈` and `𝐂`, decreasing
@@ -219,38 +235,183 @@ as subscript), separating them with a comma followed by a little space.
 The first (technical) definition
 --------------------------------
 
+Before defining the cover relation as an inductive predicate, one
+has to notice that the infinity rule uses, in its hypotheses, the 
+cover relation between two subsets, while the inductive predicate 
+we are going to define relates an element and a subset.
+
+An option would be to unfold the definition of cover between subsets,
+but we prefer to define the abstract notion of cover between subsets
+(so that we can attach a (ambiguous) notation to it).
+
+Anyway, to ease the understaing of the definition of the cover relation 
+between subsets, we first define the inductive predicate unfolding the 
+definition, and we later refine it with.
+
+D*)
+
+ninductive xcover (A : Ax) (U : Ω^A) : A → CProp[0] ≝ 
+| xcreflexivity : ∀a:A. a ∈ U → xcover A U a
+| xcinfinity    : ∀a:A.∀i:𝐈 a. (∀y.y ∈ 𝐂 a i → xcover A U y) → xcover A U a.
+
+(*D
+
+We defined the xcover (x will be removed in the final version of the 
+definition) as an inductive predicate. The arity of the inductive
+predicate has to be carefully analyzed:
+
+>  (A : Ax) (U : Ω^A) : A → CProp[0]
+
+The syntax separates with `:` abstractions that are fixed for every
+constructor (introduction rule) and abstractions that can change. In that 
+case the parameter `U` is abstracted once and forall in front of every 
+constructor, and every occurrence of the inductive predicate is applied to
+`U` in a consistent way. Arguments abstracted on the right of `:` are not
+constant, for example the xcinfinity constructor introduces `a ◃ U`,
+but under the assumption that (for every y) `y ◃ U`. In that rule, the left
+had side of the predicate changes, thus it has to be abstrated (in the arity
+of the inductive predicate) on the right of `:`.
+
+D*)
+
+(* ncheck xcreflexivity. *)
+
+(*D
+
+We want now to abstract out `(∀y.y ∈ 𝐂 a i → xcover A U y)` and define
+a notion `cover_set` to which a notation `𝐂 a i ◃ U` can be attached.
 
+This notion has to be abstracted over the cover relation (whose
+type is the arity of the inductive `xcover` predicate just defined).
 
-DOCEND*)
+Then it has to be abstracted over the arguments of that cover relation,
+i.e. the axiom set and the set U, and the subset (in that case `𝐂 a i`)
+sitting on the left hand side of `◃`. 
+
+D*)
 
 ndefinition cover_set : 
-  ∀c: ∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0]. ∀A:Ax.∀C,U:Ω^A. CProp[0] 
+  ∀cover: ∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0]. ∀A:Ax.∀C,U:Ω^A. CProp[0] 
 ≝ 
-  λc: ∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0]. λA,C,U.∀y.y ∈ C → c A U y.
+  λcover.                           λA,    C,U.     ∀y.y ∈ C → cover A U y.
 
-ndefinition cover_set_interactive : 
-  ∀c: ∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0]. ∀A:Ax.∀C,U:Ω^A. CProp[0]. 
-#cover; #A; #C; #U; napply (∀y:A.y ∈ C → ?); napply cover;
-##[ napply A;
-##| napply U;
-##| napply y;
-##]
-nqed.
+(*D
+
+The `ndefinition` command takes a name, a type and body (of that type).
+The type can be omitted, and in that case it is inferred by the system.
+If the type is given, the system uses it to infer implicit arguments
+of the body. In that case all types are left implicit in the body.
+
+We now define the notation `a ◃ b`. Here the keywork `hvbox`
+and `break` tell the system how to wrap text when it does not
+fit the screen (they can be safely ignore for the scope of
+this tutorial). we also add an interpretation for that notation, 
+where the (abstracted) cover relation is implicit. The system
+will not be able to infer it from the other arguments `C` and `U`
+and will thus prompt the user for it. This is also why we named this 
+interpretation `covers set temp`: we will later define another 
+interpretation in which the cover relation is the one we are going to 
+define.
+
+D*)
 
-(* a \ltri b *)
 notation "hvbox(a break ◃ b)" non associative with precedence 45
 for @{ 'covers $a $b }.
 
 interpretation "covers set temp" 'covers C U = (cover_set ?? C U).
 
+(*D
+
+We can now define the cover relation using the `◃` notation for 
+the premise of infinity. 
+
+D*)
+
 ninductive cover (A : Ax) (U : Ω^A) : A → CProp[0] ≝ 
-| creflexivity : ∀a:A. a ∈ U → cover ? U a
-| cinfinity    : ∀a:A.∀i:𝐈 a. 𝐂 a i ◃ U → cover ? U a.
+| creflexivity : ∀a. a ∈ U → cover ? U a
+| cinfinity    : ∀a. ∀i. 𝐂 a i ◃ U → cover ? U a.
+(** screenshot "cover". *) 
 napply cover;
 nqed.
 
+(*D
+
+Note that the system accepts the definition
+but prompts the user for the relation the `cover_set` notion is
+abstracted on.
+
+
+
+The orizontal line separates the hypotheses from the conclusion.
+The `napply cover` command tells the system that the relation
+it is looking for is exactly our first context entry (i.e. the inductive
+predicate we are defining, up to α-conversion); while the `nqed` command
+ends a definition or proof.
+
+We can now define the interpretation for the cover relation between an
+element and a subset fist, then between two subsets (but this time
+we fixed the relation `cover_set` is abstracted on).
+
+D*)
+
 interpretation "covers" 'covers a U = (cover ? U a).
-(* interpretation "covers set" 'covers a U = (cover_set cover ? a U). *)
+interpretation "covers set" 'covers a U = (cover_set cover ? a U).
+
+(*D
+
+We will proceed similarly for the fish relation, but before going
+on it is better to give a short introduction to the proof mode of Matita.
+We define again the `cover_set` term, but this time we will build
+its body interactively. In λ-calculus Matita is based on, CIC, proofs
+and terms share the same syntax, and it thus possible to use the
+commands devoted to build proof term to build regular definitions.
+
+D*)
+
+ndefinition xcover_set : 
+  ∀c: ∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0]. ∀A:Ax.∀C,U:Ω^A. CProp[0]. 
+                         (** screenshot "xcover-set-1". *)
+#cover; #A; #C; #U;      (** screenshot "xcover-set-2". *) 
+napply (∀y:A.y ∈ C → ?); (** screenshot "xcover-set-3". *)
+napply cover;            (** screenshot "xcover-set-4". *)
+##[ napply A;
+##| napply U;
+##| napply y;
+##]
+nqed.
+
+(*D[xcover-set-1]
+The system asks for a proof of the full statement, in an empty context.
+
+The `#` command is the ∀-introduction rule, it gives a name to an 
+assumption putting it in the context, and generates a λ-abstraction
+in the proof term.
+
+D[xcover-set-2]
+We have now to provide a proposition, and we exhibit it. We left
+a part of it implicit; since the system cannot infer it it will
+ask it later. Note that the type of `∀y:A.y ∈ C → ?` is a proposition
+whenever `?` is.
+
+D[xcover-set-3]
+The proposition we want to provide is an application of the
+cover relation we have abstracted in the context. The command
+`napply`, if the given term has not the expected type (in that
+case it is a product versus a proposition) it applies it to as many 
+implicit arguments as necessary (in that case `? ? ?`).
+
+D[xcover-set-4]
+The system will now ask in turn the three implicit arguments 
+passed to cover. The syntax `##[` allows to start a branching
+to tackle every sub proof individually, otherwise every command
+is applied to every subrpoof. The command `##|` switches to the next
+subproof and `##]` ends the branching.  
+D*)
+
+(*D
+The definition of fish works exactly the same way as for cover, except 
+that it is defined as a coinductive proposition.
+D*)
 
 ndefinition fish_set ≝ λf:∀A:Ax.Ω^A → A → CProp[0].
  λA,U,V.
@@ -270,22 +431,119 @@ nqed.
 interpretation "fish set" 'fish A U = (fish_set fish ? U A).
 interpretation "fish" 'fish a U = (fish ? U a).
 
+(*D
+
+Matita is able to generate elimination rules for inductive types,
+but not introduction rules for the coinductive case. 
+
+D*)
+
+(* ncheck cover_rect_CProp0. *) 
+
+(*D
+
+We thus have to define the introduction rule for fish by corecursion.
+Here we again use the proof mode of Matita to exhibit the body of the
+corecursive function.
+
+D*)
+
 nlet corec fish_rec (A:Ax) (U: Ω^A)
  (P: Ω^A) (H1: P ⊆ U)
-  (H2: ∀a:A. a ∈ P → ∀j: 𝐈 a. 𝐂 a j ≬ P):
-   ∀a:A. ∀p: a ∈ P. a ⋉ U ≝ ?.
-#a; #p; napply cfish; (** screenshot "def-fish-rec". *)
-##[ napply H1; napply p;
-##| #i; ncases (H2 a p i); #x; *; #xC; #xP; @; ##[napply x]
-    @; ##[ napply xC ] napply (fish_rec ? U P); nassumption;
+  (H2: ∀a:A. a ∈ P → ∀j: 𝐈 a. 𝐂 a j ≬ P): ∀a:A. ∀p: a ∈ P. a ⋉ U ≝ ?.
+                                       (** screenshot "def-fish-rec-1". *)
+#a; #p; napply cfish;                  (** screenshot "def-fish-rec-2". *)
+##[ nchange in H1 with (∀b.b∈P → b∈U); (** screenshot "def-fish-rec-2-1". *) 
+    napply H1;                         (** screenshot "def-fish-rec-3". *) 
+    nassumption;
+##| #i; ncases (H2 a p i);             (** screenshot "def-fish-rec-5". *) 
+    #x; *; #xC; #xP;                   (** screenshot "def-fish-rec-5-1". *) 
+    @;                                 (** screenshot "def-fish-rec-6". *)
+    ##[ napply x
+    ##| @;                             (** screenshot "def-fish-rec-7". *)
+        ##[ napply xC; 
+        ##| napply (fish_rec ? U P);   (** screenshot "def-fish-rec-9". *)
+            nassumption;
+        ##]
+    ##]
 ##]
 nqed.
 
-notation "◃U" non associative with precedence 55
-for @{ 'coverage $U }.
+(*D
+D[def-fish-rec-1]
+Note the first item of the context, it is the corecursive function we are 
+defining. This item allows to perform the recursive call, but we will be
+allowed to do such call only after having generated a constructor of
+the fish coinductive type.
+
+We introduce `a` and `p`, and then return the fish constructor `cfish`.
+Since the constructor accepts two arguments, the system asks for them.
+
+D[def-fish-rec-2]
+The first one is a proof that `a ∈ U`. This can be proved using `H1` and `p`.
+With the `nchange` tactic we change `H1` into an equivalent form (this step
+can be skipped, since the systeem would be able to unfold the definition
+of inclusion by itself)
+
+D[def-fish-rec-2-1]
+It is now clear that `H1` can be applied. Again `napply` adds two 
+implicit arguments to `H1 ? ?`, obtaining a proof of `? ∈ U` given a proof
+that `? ∈ P`. Thanks to unification, the system understands that `?` is actually
+`a`, and it asks a proof that `a ∈ P`.
+
+D[def-fish-rec-3]
+The `nassumption` tactic looks for the required proof in the context, and in
+that cases finds it in the last context position. 
+
+We move now to the second branch of the proof, corresponding to the second
+argument of the `cfish` constructor.
+
+We introduce `i` and then we destruct `H2 a p i`, that being a proof
+of an overlap predicate, give as an element and a proof that it is 
+both in `𝐂 a i` and `P`.
+
+D[def-fish-rec-5]
+We then introduce `x`, break the conjunction (the `*;` command is the
+equivalent of `ncases` but operates on the first hypothesis that can
+be introduced. We then introduce the two sides of the conjuction.
+
+D[def-fish-rec-5-1]
+The goal is now the existence of an a point in `𝐂 a i` fished by `U`.
+We thus need to use the introduction rulle for the existential quantifier.
+In CIC it is a defined notion, that is an inductive type with just
+one constructor (one introduction rule) holding the witness and the proof
+that the witness satisfies a proposition.
+
+> ncheck Ex.
+
+Instead of trying to remember the name of the constructor, that should
+be used as the argument of `napply`, we can ask the system to find by
+itself the constructor name and apply it with the `@` tactic. 
+Note that some inductive predicates, like the disjunction, have multiple
+introduction rules, and thus `@` can be followed by a number identifying
+the constructor.
+
+D[def-fish-rec-6]
+After choosing `x` as the witness, we have to prove a conjunction,
+and we again apply the introduction rule for the inductively defined
+predicate `∧`.
+
+D[def-fish-rec-7]
+The left hand side of the conjunction is trivial to prove, since it 
+is already in the context. The right hand side needs to perform
+the co-recursive call.
+
+D[def-fish-rec-9]
+The co-recursive call needs some arguments, but all of them live
+in the context. Instead of explicitly mention them, we use the
+`nassumption` tactic, that simply tries to apply every context item.
+
+D*)
 
 ndefinition coverage : ∀A:Ax.∀U:Ω^A.Ω^A ≝ λA,U.{ a | a ◃ U }.
 
+notation "◃U" non associative with precedence 55 for @{ 'coverage $U }.
+
 interpretation "coverage cover" 'coverage U = (coverage ? U).
 
 ndefinition cover_equation : ∀A:Ax.∀U,X:Ω^A.CProp[0] ≝  λA,U,X. 
@@ -426,13 +684,12 @@ naxiom AC : ∀A,a,i,U.(∀j:𝐃 a i.∃x:Ord A.𝐝 a i j ∈ U⎽x) → (Σf.
 naxiom setoidification :
   ∀A:nAx.∀a,b:A.∀U.a=b → b ∈ U → a ∈ U.
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 Bla Bla, 
 
-<div id="figure1" class="img" ><img src="figure1.png"/>foo</div>
 
-DOCEND*)
+D*)
 
 alias symbol "covers" = "new covers".
 alias symbol "covers" = "new covers set".
@@ -519,8 +776,8 @@ nelim o;
 ##]
 nqed.
 
-(*DOCBEGIN
+(*D
 
 [1]: http://upsilon.cc/~zack/research/publications/notation.pdf 
 
-*)
\ No newline at end of file
+*)