]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - matita/matita/lib/pts_dummy/par_reduction.ma
some renaming to free the baseuri cic:/matita/lambda
[helm.git] / matita / matita / lib / pts_dummy / par_reduction.ma
diff --git a/matita/matita/lib/pts_dummy/par_reduction.ma b/matita/matita/lib/pts_dummy/par_reduction.ma
new file mode 100644 (file)
index 0000000..cea1e17
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,307 @@
+(*
+    ||M||  This file is part of HELM, an Hypertextual, Electronic        
+    ||A||  Library of Mathematics, developed at the Computer Science     
+    ||T||  Department of the University of Bologna, Italy.                     
+    ||I||                                                                 
+    ||T||  
+    ||A||  This file is distributed under the terms of the 
+    \   /  GNU General Public License Version 2        
+     \ /      
+      V_______________________________________________________________ *)
+
+include "lambda/subterms.ma".
+
+(*
+inductive T : Type[0] ≝
+  | Sort: nat → T
+  | Rel: nat → T 
+  | App: T → T → T 
+  | Lambda: T → T → T (* type, body *)
+  | Prod: T → T → T (* type, body *)
+  | D: T →T
+. *)
+
+(*
+let rec is_dummy M ≝ 
+match M with 
+  [D P ⇒ true
+  |_ ⇒ false
+  ]. *)
+  
+let rec is_lambda M ≝ 
+match M with 
+  [Lambda P Q ⇒ true
+  |_ ⇒ false
+  ]. 
+
+(* 
+theorem is_dummy_to_exists: ∀M. is_dummy M = true → 
+∃N. M = D N.
+#M (cases M) normalize 
+  [1,2: #n #H destruct|3,4,5: #P #Q #H destruct
+  |#N #_ @(ex_intro … N) //
+  ]
+qed.*)
+
+theorem is_lambda_to_exists: ∀M. is_lambda M = true → 
+∃P,N. M = Lambda P N.
+#M (cases M) normalize 
+  [1,2,6: #n #H destruct|3,5: #P #Q #H destruct
+  |#P #N #_ @(ex_intro … P) @(ex_intro … N) //
+  ]
+qed. 
+
+inductive pr : T →T → Prop ≝
+  | beta: ∀P,M,N,M1,N1. pr M M1 → pr N N1 →
+      pr (App (Lambda P M) N) (M1[0 ≝ N1])
+  | none: ∀M. pr M M
+  | appl: ∀M,M1,N,N1. pr M M1 → pr N N1 → pr (App M N) (App M1 N1)
+  | lam: ∀P,P1,M,M1. pr P P1 → pr M M1 → 
+      pr (Lambda P M) (Lambda P1 M1)
+  | prod: ∀P,P1,M,M1. pr P P1 → pr M M1 → 
+      pr (Prod P M) (Prod P1 M1)
+  | d: ∀M,M1. pr M M1 → pr (D M) (D M1).
+
+lemma prSort: ∀M,n. pr (Sort n) M → M = Sort n.
+#M #n #prH (inversion prH)
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |//
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed.
+
+lemma prRel: ∀M,n. pr (Rel n) M → M = Rel n.
+#M #n #prH (inversion prH)
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |//
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed.
+
+lemma prD: ∀M,N. pr (D N) M → ∃P.M = D P ∧ pr N P.
+#M #N #prH (inversion prH)  
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #eqM #_ @(ex_intro … N) /2/ 
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M1 #N1 #pr #_ #H destruct #eqM @(ex_intro … N1) /2/
+  ]
+qed.
+
+lemma prApp_not_lambda: 
+∀M,N,P. pr (App M N) P → is_lambda M = false →
+  ∃M1,N1. (P = App M1 N1 ∧ pr M M1 ∧ pr N N1).
+#M #N #P #prH (inversion prH)
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct #_ #H1 destruct
+  |#M1 #eqM1 #_ #_ @(ex_intro … M) @(ex_intro … N) /3/ 
+  |#M1 #N1 #M2 #N2 #pr1 #pr2 #_ #_ #H #H1 #_ destruct 
+   @(ex_intro … N1) @(ex_intro … N2) /3/ 
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed. 
+
+lemma prApp_lambda: 
+∀Q,M,N,P. pr (App (Lambda Q M) N) P → 
+  ∃M1,N1. (P = M1[0:=N1] ∧ pr M M1 ∧ pr N N1) ∨
+   (P = (App M1 N1) ∧ pr (Lambda Q M) M1 ∧ pr N N1).
+#Q #M #N #P #prH (inversion prH)
+  [#R #M #N #M1 #N1 #pr1 #pr2 #_ #_ #H destruct #_ 
+   @(ex_intro … M1) @(ex_intro … N1) /4/ 
+  |#M1 #eqM1 #_ @(ex_intro … (Lambda Q M)) @(ex_intro … N) /4/ 
+  |#M1 #N1 #M2 #N2 #pr1 #pr2 #_ #_ #H destruct #_
+   @(ex_intro … N1) @(ex_intro … N2) /4/ 
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed. 
+
+lemma prLambda: ∀M,N,P. pr (Lambda M N) P →
+  ∃M1,N1. (P = Lambda M1 N1 ∧ pr M M1 ∧ pr N N1).
+#M #N #P #prH (inversion prH)
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct 
+  |#Q #eqQ #_ @(ex_intro … M) @(ex_intro … N) /3/
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#Q #Q1 #S #S1 #pr1 #pr2 #_ #_ #H #H1 destruct 
+   @(ex_intro … Q1) @(ex_intro … S1) /3/
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed. 
+
+lemma prProd: ∀M,N,P. pr (Prod M N) P → 
+  ∃M1,N1. P = Prod M1 N1 ∧ pr M M1 ∧ pr N N1.
+#M #N #P #prH (inversion prH)
+  [#P #M #N #M1 #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct 
+  |#Q #eqQ #_ @(ex_intro … M) @(ex_intro … N) /3/
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#M #M1 #N #N1 #_ #_ #_ #_ #H destruct
+  |#Q #Q1 #S #S1 #pr1 #pr2 #_ #_ #H #H1 destruct
+   @(ex_intro … Q1) @(ex_intro … S1) /3/
+  |#M #N #_ #_ #H destruct
+  ]
+qed.
+let rec full M ≝
+  match M with
+  [ Sort n ⇒ Sort n
+  | Rel n ⇒ Rel n
+  | App P Q ⇒ full_app P (full Q)
+  | Lambda P Q ⇒ Lambda (full P) (full Q)
+  | Prod P Q ⇒ Prod (full P) (full Q)
+  | D P ⇒ D (full P)
+  ]
+and full_app M N ≝
+  match M with 
+  [ Sort n ⇒ App (Sort n) N
+  | Rel n ⇒ App (Rel n) N
+  | App P Q ⇒ App (full_app P (full Q)) N
+  | Lambda P Q ⇒ (full Q) [0 ≝ N] 
+  | Prod P Q ⇒ App (Prod (full P) (full Q)) N
+  | D P ⇒ App (D (full P)) N
+  ]
+. 
+
+lemma pr_lift: ∀N,N1,n. pr N N1 → 
+  ∀k. pr (lift N k n) (lift N1 k n).
+#N #N1 #n #pr1 (elim pr1)
+  [#P #M1 #N1 #M2 #N2 #pr2 #pr3 #Hind1 #Hind2 #k
+   normalize >lift_subst_up @beta; // 
+  |// 
+  |#M1 #N1 #M2 #N2 #pr2 #pr3 #Hind1 #Hind2 #k
+   normalize @appl; [@Hind1 |@Hind2]
+  |#M1 #N1 #M2 #N2 #pr2 #pr3 #Hind1 #Hind2 #k
+   normalize @lam; [@Hind1 |@Hind2]
+  |#M1 #N1 #M2 #N2 #pr2 #pr3 #Hind1 #Hind2 #k
+   normalize @prod; [@Hind1 |@Hind2]
+  |#M1 #M2 #pr2 #Hind #k normalize @d //
+  ]
+qed.
+
+theorem pr_subst: ∀M,M1,N,N1,n. pr M M1 → pr N N1 → 
+  pr M[n≝N] M1[n≝N1].
+@Telim_size #P (cases P) 
+  [#i #Hind #N #M1 #N1 #n #pr1 #pr2 >(prSort … pr1) //
+  |#i #Hind #N #M1 #N1 #n #pr1 #pr2 >(prRel … pr1)
+    (cases (true_or_false (leb i n)))
+    [#lein (cases (le_to_or_lt_eq i n (leb_true_to_le … lein)))
+      [#ltin >(subst_rel1 … ltin) >(subst_rel1 … ltin) //
+      |#eqin >eqin >subst_rel2 >subst_rel2 /2/ 
+      ]
+    |#lefalse (cut (n < i)) [@not_le_to_lt /2/] #ltni
+     >(subst_rel3 … ltni) >(subst_rel3 … ltni) //
+    ]
+  |#Q #M #Hind #M1 #N #N1 #n #pr1 #pr2
+   (cases (true_or_false (is_lambda Q)))
+    [#islambda (cases (is_lambda_to_exists … islambda))
+     #M2 * #N2 #eqQ >eqQ in pr1 #pr3 (cases (prApp_lambda … pr3))
+     #M3 * #N3 * 
+      [* * #eqM1 #pr4 #pr5 >eqM1 
+       >(plus_n_O n) in ⊢ (??%) >subst_lemma @beta;
+        [<plus_n_Sm <plus_n_O @Hind // >eqQ 
+         @(transitive_lt ? (size (Lambda M2 N2))) normalize //
+        |@Hind // normalize // 
+        ]
+      |* * #eqM1 #pr4 #pr5 >eqM1 @appl;  
+        [@Hind // <eqQ normalize // 
+        |@Hind // normalize // 
+        ]
+      ]
+    |#notlambda (cases (prApp_not_lambda … pr1 ?)) //
+     #M2 * #N2 * * #eqM1 #pr3 #pr4 >eqM1 @appl;
+      [@Hind // normalize // |@Hind // normalize // ]
+    ]
+  |#Q #M #Hind #M1 #N #N1 #n #pr1 #pr2
+   (cases (prLambda … pr1))
+   #N2 * #Q1 * * #eqM1 #pr3 #pr4 >eqM1 @lam;
+    [@Hind // normalize // | @Hind // normalize // ]
+  |#Q #M #Hind #M1 #N #N1 #n #pr1 #pr2
+   (cases (prProd … pr1)) #M2 * #N2 * * #eqM1 #pr3 #pr4 >eqM1
+   @prod; [@Hind // normalize // | @Hind // normalize // ]
+  |#Q #Hind #M1 #N #N1 #n #pr1 #pr2 (cases (prD … pr1))
+   #M2 * #eqM1 #pr1 >eqM1 @d @Hind // normalize // 
+  ]
+qed.
+lemma pr_full_app: ∀M,N,N1. pr N N1 → 
+  (∀S.subterm S M → pr S (full S)) →
+  pr (App M N) (full_app M N1).
+#M (elim M) normalize /2/
+  [#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #N2 #prN #H @appl // @Hind1 /3/
+  |#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #N2 #prN #H @beta /2/
+  |#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #N2 #prN #H @appl // @prod /2/
+  |#P #Hind #N1 #N2 #prN #H @appl // @d /2/ 
+  ]
+qed.
+
+theorem pr_full: ∀M. pr M (full M).
+@Telim #M (cases M) normalize
+  [// 
+  |//
+  |#M1 #N1 #H @pr_full_app /3/
+  |#M1 #N1 #H normalize /3/
+  |#M1 #N1 #H @prod /2/
+  |#P #H @d /2/
+  ]
+qed. 
+
+lemma complete_app: ∀M,N,P.
+  (∀S,P.subterm S (App M N) → pr S P → pr P (full S)) →
+  pr (App M N) P → pr P (full_app M (full N)).
+#M (elim M) normalize
+  [#n #P #Q #subH #pr1 cases (prApp_not_lambda … pr1 ?) // 
+   #M1 * #N1 * * #eqQ #pr1 #pr2 >eqQ @appl; 
+    [@(subH (Sort n)) // |@subH //]
+  |#n #P #Q #subH #pr1 cases (prApp_not_lambda … pr1 ?) // 
+   #M1 * #N1 * * #eqQ #pr1 #pr2 >eqQ @appl; 
+    [@(subH (Rel n)) // |@subH //]
+  |#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #N2 #subH #prH
+   cases (prApp_not_lambda … prH ?) // 
+   #M2 * #N2 * * #eqQ #pr1 #pr2 >eqQ @appl; 
+    [@Hind1 /3/ |@subH //]
+  |#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #P2 #subH #prH
+   cases (prApp_lambda … prH) #M2 * #N2 *
+    [* * #eqP2 #pr1 #pr2 >eqP2 @pr_subst /3/
+    |* * #eqP2 #pr1 #pr2 >eqP2 (cases (prLambda … pr1))
+     #M3 * #M4 * * #eqM2 #pr3 #pr4 >eqM2 @beta @subH /2/
+    ]
+  |#P #Q #Hind1 #Hind2 #N1 #N2 #subH #prH
+   cases (prApp_not_lambda … prH ?) // 
+   #M2 * #N2 * * #eqQ #pr1 #pr2 >eqQ @appl; 
+    [@(subH (Prod P Q)) // |@subH //]
+  |#P #Hind #N1 #N2 #subH #pr1
+   cases (prApp_not_lambda … pr1 ?) // 
+   #M1 * #N1 * * #eqQ #pr2 #pr3 >eqQ @appl; 
+    [@(subH (D P) M1) // |@subH //]    
+  ]
+qed.
+
+theorem complete: ∀M,N. pr M N → pr N (full M).
+@Telim #M (cases M) 
+  [#n #Hind #N #prH normalize >(prSort … prH) //
+  |#n #Hind #N #prH normalize >(prRel … prH) //
+  |#M #N #Hind #Q @complete_app 
+   #S #P #subS @Hind //
+  |#P #P1 #Hind #N #Hpr 
+   (cases (prLambda …Hpr)) #M1 * #N1 * * #eqN >eqN normalize /3/
+  |#P #P1 #Hind #N #Hpr 
+   (cases (prProd …Hpr)) #M1 * #N1 * * #eqN >eqN normalize /3/
+  |#N #Hind #P #prH normalize cases (prD … prH) 
+   #Q * #eqP >eqP #prN @d @Hind //
+  ]
+qed.
+
+theorem diamond: ∀P,Q,R. pr P Q → pr P R → ∃S.
+pr Q S ∧ pr P S.
+#P #Q #R #pr1 #pr2 @(ex_intro … (full P)) /3/
+qed.
+