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a wrong conjecture bypassed!
[helm.git] / matita / matita / lib / re / moves.ma
index cb7d139f450e417558c44375a60e0cae76a74633..c8c3b3478fc865cf53bcd034110e8b2a05fcc9f4 100644 (file)
 include "re/re.ma".
 include "basics/lists/listb.ma".
 
+(* 
+Moves
+
+We now define the move operation, that corresponds to the advancement of the 
+state in response to the processing of an input character a. The intuition is 
+clear: we have to look at points inside $e$ preceding the given character a,
+let the point traverse the character, and broadcast it. All other points must 
+be removed.
+
+We can give a particularly elegant definition in terms of the
+lifted operators of the previous section:
+*)
+
 let rec move (S: DeqSet) (x:S) (E: pitem S) on E : pre S ≝
  match E with
-  [ pz ⇒ 〈 `∅, false 〉
-  | pe ⇒ 〈 ϵ, false 〉
-  | ps y ⇒ 〈 `y, false 〉
-  | pp y ⇒ 〈 `y, x == y 〉
+  [ pz ⇒ 〈 pz ?, false 〉
+  | pe ⇒ 〈 pe ? , false 〉
+  | ps y ⇒ 〈 ps ? y, false 〉
+  | pp y ⇒ 〈 ps ? y, x == y 〉
   | po e1 e2 ⇒ (move ? x e1) ⊕ (move ? x e2) 
   | pc e1 e2 ⇒ (move ? x e1) ⊙ (move ? x e2)
   | pk e ⇒ (move ? x e)^⊛ ].
@@ -64,46 +77,43 @@ theorem move_ok:
   |normalize /2/
   |normalize /2/
   |normalize #x #w cases (true_or_false (a==x)) #H >H normalize
-    [>(proj1 … (eqb_true …) H) % 
-      [* // #bot @False_ind //| #H1 destruct /2/]
-    |% [#bot @False_ind // 
-       | #H1 destruct @(absurd ((a==a)=true))
-         [>(proj2 … (eqb_true …) (refl …)) // | /2/] 
-       ]
-    ]
-  |#i1 #i2 #HI1 #HI2 #w >(sem_cat S i1 i2) >move_cat
-   @iff_trans[|@sem_odot] >same_kernel >sem_cat_w
-   @iff_trans[||@(iff_or_l … (HI2 w))] @iff_or_r %
-    [* #w1 * #w2 * * #eqw #w1in #w2in @(ex_intro … (a::w1))
-     @(ex_intro … w2) % // % normalize // cases (HI1 w1) /2/
-    |* #w1 * #w2 * cases w1
-      [* #_ #H @False_ind /2/
-      |#x #w3 * #eqaw normalize in eqaw; destruct #w3in #w2in 
-      @(ex_intro … w3) @(ex_intro … w2) % // % // cases (HI1 w3) /2/
-      ]
+    [>(\P H) % [* // #bot @False_ind //| #H1 destruct /2/]
+    |% [@False_ind |#H1 cases (\Pf H) #H2 @H2 destruct //]
     ]
+  |#i1 #i2 #HI1 #HI2 #w 
+   (* lhs = w∈\sem{move S a (i1·i2)} *)
+   >move_cat
+   (* lhs = w∈\sem{move S a i1}⊙\sem{move S a i2} *)
+   @iff_trans[|@sem_odot] >same_kernel 
+   (* lhs = w∈\sem{move S a i1}·\sem{|i2|} ∨ a∈\sem{move S a i2} *)
+   (* now we work on the rhs, that is
+      rhs = a::w1∈\sem{i1·i2} *)
+   >sem_cat_w
+   (* rhs = a::w1∈\sem{i1}\sem{|i2|} ∨ a::w∈\sem{i2} *)
+   @iff_trans[||@(iff_or_l … (HI2 w))] 
+   (* rhs = a::w1∈\sem{i1}\sem{|i2|} ∨ w∈\sem{move S a i2} *)
+   @iff_or_r
+   (* we are left to prove that 
+     w∈\sem{move S a i1}·\sem{|i2|} ↔ a::w∈\sem{i1}\sem{|i2|}
+     we use deriv_middot on the rhs *)
+   @iff_trans[||@iff_sym @deriv_middot //]
+   (* w∈\sem{move S a i1}·\sem{|i2|} ↔ w∈(deriv S \sem{i1} a) · \sem{|i2|} *)
+   @cat_ext_l @HI1
   |#i1 #i2 #HI1 #HI2 #w >(sem_plus S i1 i2) >move_plus >sem_plus_w 
    @iff_trans[|@sem_oplus] 
    @iff_trans[|@iff_or_l [|@HI2]| @iff_or_r //]
   |#i1 #HI1 #w >move_star 
-   @iff_trans[|@sem_ostar] >same_kernel >sem_star_w %
-    [* #w1 * #w2 * * #eqw #w1in #w2in 
-     @(ex_intro … (a::w1)) @(ex_intro … w2) % // % normalize //
-     cases (HI1 w1 ) /2/
-    |* #w1 * #w2 * cases w1
-      [* #_ #H @False_ind /2/
-      |#x #w3 * #eqaw normalize in eqaw; destruct #w3in #w2in 
-       @(ex_intro … w3) @(ex_intro … w2) % // % // cases (HI1 w3) /2/
-      ]
-    ]
+   @iff_trans[|@sem_ostar] >same_kernel >sem_star_w 
+   @iff_trans[||@iff_sym @deriv_middot //]
+   @cat_ext_l @HI1
   ]
 qed.
     
-notation > "x ↦* E" non associative with precedence 60 for @{moves ? $x $E}.
+notation > "x ↦* E" non associative with precedence 65 for @{moves ? $x $E}.
 let rec moves (S : DeqSet) w e on w : pre S ≝
  match w with
   [ nil ⇒ e
-  | cons x w' ⇒ w' ↦* (move S x (\fst e))].
+  | cons x w' ⇒ w' ↦* (move S x (\fst e))]. 
 
 lemma moves_empty: ∀S:DeqSet.∀e:pre S. 
   moves ? [ ] e = e.
@@ -113,9 +123,14 @@ lemma moves_cons: ∀S:DeqSet.∀a:S.∀w.∀e:pre S.
   moves ? (a::w)  e = moves ? w (move S a (\fst e)).
 // qed.
 
+lemma moves_left : ∀S,a,w,e. 
+  moves S (w@[a]) e = move S a (\fst (moves S w e)). 
+#S #a #w elim w // #x #tl #Hind #e >moves_cons >moves_cons //
+qed.
+
 lemma not_epsilon_sem: ∀S:DeqSet.∀a:S.∀w: word S. ∀e:pre S. 
   iff ((a::w) ∈ e) ((a::w) ∈ \fst e).
-#S #a #w * #i #b >fst_eq cases b normalize 
+#S #a #w * #i #b cases b normalize 
   [% /2/ * // #H destruct |% normalize /2/]
 qed.
 
@@ -125,7 +140,7 @@ lemma same_kernel_moves: ∀S:DeqSet.∀w.∀e:pre S.
 qed.
 
 theorem decidable_sem: ∀S:DeqSet.∀w: word S. ∀e:pre S. 
-   (\snd (moves ? w e) = true)  ↔ \sem{e} w.
+   (\snd (moves ? w e) = true) ↔ \sem{e} w.
 #S #w elim w 
  [* #i #b >moves_empty cases b % /2/
  |#a #w1 #Hind #e >moves_cons
@@ -134,12 +149,67 @@ theorem decidable_sem: ∀S:DeqSet.∀w: word S. ∀e:pre S.
  ]
 qed.
 
-lemma not_true_to_false: ∀b.b≠true → b =false.
-#b * cases b // #H @False_ind /2/ 
+(************************ pit state ***************************)
+definition pit_pre ≝ λS.λi.〈blank S (|i|), false〉. 
+
+let rec occur (S: DeqSet) (i: re S) on i ≝  
+  match i with
+  [ z ⇒ [ ]
+  | e ⇒ [ ]
+  | s y ⇒ [y]
+  | o e1 e2 ⇒ unique_append ? (occur S e1) (occur S e2) 
+  | c e1 e2 ⇒ unique_append ? (occur S e1) (occur S e2) 
+  | k e ⇒ occur S e].
+
+lemma not_occur_to_pit: ∀S,a.∀i:pitem S. memb S a (occur S (|i|)) ≠ true →
+  move S a i  = pit_pre S i.
+#S #a #i elim i //
+  [#x normalize cases (a==x) normalize // #H @False_ind /2/
+  |#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 #H >move_cat 
+   >Hind1 [2:@(not_to_not … H) #H1 @sublist_unique_append_l1 //]
+   >Hind2 [2:@(not_to_not … H) #H1 @sublist_unique_append_l2 //] //
+  |#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 #H >move_plus 
+   >Hind1 [2:@(not_to_not … H) #H1 @sublist_unique_append_l1 //]
+   >Hind2 [2:@(not_to_not … H) #H1 @sublist_unique_append_l2 //] //
+  |#i #Hind #H >move_star >Hind // 
+  ]
+qed.
+
+lemma move_pit: ∀S,a,i. move S a (\fst (pit_pre S i)) = pit_pre S i.
+#S #a #i elim i //
+  [#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 >move_cat >Hind1 >Hind2 // 
+  |#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 >move_plus >Hind1 >Hind2 // 
+  |#i #Hind >move_star >Hind //
+  ]
+qed. 
+
+lemma moves_pit: ∀S,w,i. moves S w (pit_pre S i) = pit_pre S i.
+#S #w #i elim w // #a #tl >moves_cons // 
 qed. 
+lemma to_pit: ∀S,w,e. ¬ sublist S w (occur S (|\fst e|)) →
+ moves S w e = pit_pre S (\fst e).
+#S #w elim w
+  [#e * #H @False_ind @H normalize #a #abs @False_ind /2/
+  |#a #tl #Hind #e #H cases (true_or_false (memb S a (occur S (|\fst e|))))
+    [#Htrue >moves_cons whd in ⊢ (???%); <(same_kernel … a) 
+     @Hind >same_kernel @(not_to_not … H) #H1 #b #memb cases (orb_true_l … memb)
+      [#H2 >(\P H2) // |#H2 @H1 //]
+    |#Hfalse >moves_cons >not_occur_to_pit // >Hfalse /2/ 
+    ]
+  ]
+qed.
+
+(* bisimulation *)
+definition cofinal ≝ λS.λp:(pre S)×(pre S). 
+  \snd (\fst p) = \snd (\snd p).
+
+(* As a corollary of decidable_sem, we have that two expressions
+e1 and e2 are equivalent iff for any word w the states reachable 
+through w are cofinal. *)
 
 theorem equiv_sem: ∀S:DeqSet.∀e1,e2:pre S. 
-  iff (\sem{e1} =1 \sem{e2}) (∀w.\snd (moves ? w e1) = \snd (moves ? w e2)).
+  \sem{e1} ≐ \sem{e2} ↔ ∀w.cofinal ? 〈moves ? w e1,moves ? w e2〉.
 #S #e1 #e2 % 
 [#same_sem #w 
   cut (∀b1,b2. iff (b1 = true) (b2 = true) → (b1 = b2)) 
@@ -149,78 +219,95 @@ theorem equiv_sem: ∀S:DeqSet.∀e1,e2:pre S.
 |#H #w1 @iff_trans [||@decidable_sem] <H @iff_sym @decidable_sem]
 qed.
 
-axiom moves_left : ∀S,a,w,e. 
-  moves S (w@[a]) e = move S a (\fst (moves S w e)). 
-
-definition in_moves ≝ λS:DeqSet.λw.λe:pre S. \snd(w ↦* e).
-
-coinductive equiv (S:DeqSet) : pre S → pre S → Prop ≝
- mk_equiv:
-  ∀e1,e2: pre S.
-   \snd e1  = \snd e2 →
-    (∀x. equiv S (move ? x (\fst e1)) (move ? x (\fst e2))) →
-     equiv S e1 e2.
-
-definition beqb ≝ λb1,b2.
-  match b1 with
-  [ true ⇒ b2
-  | false ⇒ notb b2
-  ].
-
-lemma beqb_ok: ∀b1,b2. iff (beqb b1 b2 = true) (b1 = b2).
-#b1 #b2 cases b1 cases b2 normalize /2/
+(* This does not directly imply decidability: we have no bound over the
+length of w; moreover, so far, we made no assumption over the cardinality 
+of S. Instead of requiring S to be finite, we may restrict the analysis
+to characters occurring in the given pres. *)
+
+definition occ ≝ λS.λe1,e2:pre S. 
+  unique_append ? (occur S (|\fst e1|)) (occur S (|\fst e2|)).
+
+lemma occ_enough: ∀S.∀e1,e2:pre S.
+(∀w.(sublist S w (occ S e1 e2))→ cofinal ? 〈moves ? w e1,moves ? w e2〉)
+ →∀w.cofinal ? 〈moves ? w e1,moves ? w e2〉.
+#S #e1 #e2 #H #w
+cases (decidable_sublist S w (occ S e1 e2)) [@H] -H #H
+ >to_pit [2: @(not_to_not … H) #H1 #a #memba @sublist_unique_append_l1 @H1 //]
+ >to_pit [2: @(not_to_not … H) #H1 #a #memba  @sublist_unique_append_l2 @H1 //]
+ //
 qed.
 
-definition Bin ≝ mk_DeqSet bool beqb beqb_ok. 
-
-let rec beqitem S (i1,i2: pitem S) on i1 ≝ 
-  match i1 with
-  [ pz ⇒ match i2 with [ pz ⇒ true | _ ⇒ false]
-  | pe ⇒ match i2 with [ pe ⇒ true | _ ⇒ false]
-  | ps y1 ⇒ match i2 with [ ps y2 ⇒ y1==y2 | _ ⇒ false]
-  | pp y1 ⇒ match i2 with [ pp y2 ⇒ y1==y2 | _ ⇒ false]
-  | po i11 i12 ⇒ match i2 with 
-    [ po i21 i22 ⇒ beqitem S i11 i21 ∧ beqitem S i12 i22
-    | _ ⇒ false]
-  | pc i11 i12 ⇒ match i2 with 
-    [ pc i21 i22 ⇒ beqitem S i11 i21 ∧ beqitem S i12 i22
-    | _ ⇒ false]
-  | pk i11 ⇒ match i2 with [ pk i21 ⇒ beqitem S i11 i21 | _ ⇒ false]
-  ].
-
-axiom beqitem_ok: ∀S,i1,i2. iff (beqitem S i1 i2 = true) (i1 = i2). 
+(* The following is a stronger version of equiv_sem, relative to characters
+occurring the given regular expressions. *)
 
-definition BinItem ≝ 
-  mk_DeqSet (pitem Bin) (beqitem Bin) (beqitem_ok Bin).
+lemma equiv_sem_occ: ∀S.∀e1,e2:pre S.
+(∀w.(sublist S w (occ S e1 e2))→ cofinal ? 〈moves ? w e1,moves ? w e2〉)
+→ \sem{e1}≐\sem{e2}.
+#S #e1 #e2 #H @(proj2 … (equiv_sem …)) @occ_enough #w @H 
+qed.
 
-definition beqpre ≝ λS:DeqSet.λe1,e2:pre S. 
-  beqitem S (\fst e1) (\fst e2) ∧ beqb (\snd e1) (\snd e2).
-  
-definition beqpairs ≝ λS:DeqSet.λp1,p2:(pre S)×(pre S). 
-  beqpre S (\fst p1) (\fst p2) ∧ beqpre S (\snd p1) (\snd p2).
-  
-axiom beqpairs_ok: ∀S,p1,p2. iff (beqpairs S p1 p2 = true) (p1 = p2). 
+(* 
+We say that a list of pairs of pres is a bisimulation if it is closed
+w.r.t. moves, and all its members are cofinal.
+*)
 
-definition space ≝ λS.mk_DeqSet ((pre S)×(pre S)) (beqpairs S) (beqpairs_ok S).
+(* the sons of p w.r.t a list of symbols l are all states reachable from p 
+with a move in l *)
 
-definition sons ≝ λp:space Bin. 
-  [〈move Bin true (\fst (\fst p)), move Bin true (\fst (\snd p))〉;
-   〈move Bin false (\fst (\fst p)), move Bin false (\fst (\snd p))〉
-  ].
+definition sons ≝ λS:DeqSet.λl:list S.λp:(pre S)×(pre S). 
+ map ?? (λa.〈move S a (\fst (\fst p)),move S a (\fst (\snd p))〉) l.
 
-axiom memb_sons: ∀p,q. memb (space Bin) p (sons q) = true →
+lemma memb_sons: ∀S,l.∀p,q:(pre S)×(pre S). memb ? p (sons ? l q) = true →
   ∃a.(move ? a (\fst (\fst q)) = \fst p ∧
       move ? a (\fst (\snd q)) = \snd p).
+#S #l elim l [#p #q normalize in ⊢ (%→?); #abs @False_ind /2/] 
+#a #tl #Hind #p #q #H cases (orb_true_l … H) -H
+  [#H @(ex_intro … a) >(\P H) /2/ |#H @Hind @H]
+qed.
+
+definition is_bisim ≝ λS:DeqSet.λl:list ?.λalpha:list S.
+  ∀p:(pre S)×(pre S). memb ? p l = true → cofinal ? p ∧ (sublist ? (sons ? alpha p) l).
+
+(* Using lemma equiv_sem_occ it is easy to prove the following result: *)
 
-(*
-let rec test_sons (l:list (space Bin)) ≝ 
-  match l with 
-  [ nil ⇒  true
-  | cons hd tl ⇒ 
-    beqb (\snd (\fst hd)) (\snd (\snd hd)) ∧ test_sons tl
-  ]. *)
+lemma bisim_to_sem: ∀S:DeqSet.∀l:list ?.∀e1,e2: pre S. 
+  is_bisim S l (occ S e1 e2) → memb ? 〈e1,e2〉 l = true → \sem{e1}≐\sem{e2}.
+#S #l #e1 #e2 #Hbisim #Hmemb @equiv_sem_occ 
+#w #Hsub @(proj1 … (Hbisim 〈moves S w e1,moves S w e2〉 ?))
+lapply Hsub @(list_elim_left … w) [//]
+#a #w1 #Hind #Hsub >moves_left >moves_left @(proj2 …(Hbisim …(Hind ?)))
+  [#x #Hx @Hsub @memb_append_l1 //
+  |cut (memb S a (occ S e1 e2) = true) [@Hsub @memb_append_l2 //] #occa 
+   @(memb_map … occa)
+  ]
+qed.
 
-let rec bisim (n:nat) (frontier,visited: list (space Bin)) ≝
+(* This is already an interesting result: checking if l is a bisimulation 
+is decidable, hence we could generate l with some untrusted piece of code 
+and then run a (boolean version of) is_bisim to check that it is actually 
+a bisimulation. 
+However, in order to prove that equivalence of regular expressions
+is decidable we must prove that we can always effectively build such a list 
+(or find a counterexample).
+The idea is that the list we are interested in is just the set of 
+all pair of pres reachable from the initial pair via some
+sequence of moves. 
+
+The algorithm for computing reachable nodes in graph is a very 
+traditional one. We split nodes in two disjoint lists: a list of 
+visited nodes and a frontier, composed by all nodes connected
+to a node in visited but not visited already. At each step we select a node 
+a from the frontier, compute its sons, add a to the set of 
+visited nodes and the (not already visited) sons to the frontier. 
+
+Instead of fist computing reachable nodes and then performing the 
+bisimilarity test we can directly integrate it in the algorithm:
+the set of visited nodes is closed by construction w.r.t. reachability,
+so we have just to check cofinality for any node we add to visited.
+
+Here is the extremely simple algorithm: *)
+
+let rec bisim S l n (frontier,visited: list ?) on n ≝
   match n with 
   [ O ⇒ 〈false,visited〉 (* assert false *)
   | S m ⇒ 
@@ -228,14 +315,14 @@ let rec bisim (n:nat) (frontier,visited: list (space Bin)) ≝
     [ nil ⇒ 〈true,visited〉
     | cons hd tl ⇒
       if beqb (\snd (\fst hd)) (\snd (\snd hd)) then
-        bisim m (unique_append ? (filter ? (λx.notb (memb ? x (hd::visited))) 
-        (sons hd)) tl) (hd::visited)
+        bisim S l m (unique_append ? (filter ? (λx.notb (memb ? x (hd::visited))) 
+        (sons S l hd)) tl) (hd::visited)
       else 〈false,visited〉
     ]
   ].
   
-lemma unfold_bisim: ∀n.∀frontier,visited: list (space Bin).
-  bisim n frontier visited =
+lemma unfold_bisim: ∀S,l,n.∀frontier,visited: list ?.
+  bisim S l n frontier visited =
   match n with 
   [ O ⇒ 〈false,visited〉 (* assert false *)
   | S m ⇒ 
@@ -243,89 +330,52 @@ lemma unfold_bisim: ∀n.∀frontier,visited: list (space Bin).
     [ nil ⇒ 〈true,visited〉
     | cons hd tl ⇒
       if beqb (\snd (\fst hd)) (\snd (\snd hd)) then
-        bisim m (unique_append ? (filter ? (λx.notb(memb ? x (hd::visited))) (sons hd)) tl) (hd::visited)
+        bisim S l m (unique_append ? (filter ? (λx.notb(memb ? x (hd::visited))) 
+          (sons S l hd)) tl) (hd::visited)
       else 〈false,visited〉
     ]
   ].
-#n cases n // qed.
-  
-lemma bisim_never: ∀frontier,visited: list (space Bin).
-  bisim O frontier visited = 〈false,visited〉.
+#S #l #n cases n // qed.
+
+(* The integer n is an upper bound to the number of recursive call, 
+equal to the dimension of the graph. It returns a pair composed
+by a boolean and a the set of visited nodes; the boolean is true
+if and only if all visited nodes are cofinal. 
+
+The following results explicitly state the behaviour of bisim is the general
+case and in some relevant instances *)
+lemma bisim_never: ∀S,l.∀frontier,visited: list ?.
+  bisim S l O frontier visited = 〈false,visited〉.
 #frontier #visited >unfold_bisim // 
 qed.
 
-lemma bisim_end: ∀m.∀visited: list (space Bin).
-  bisim (S m) [] visited = 〈true,visited〉.
+lemma bisim_end: ∀Sig,l,m.∀visited: list ?.
+  bisim Sig l (S m) [] visited = 〈true,visited〉.
 #n #visisted >unfold_bisim // 
 qed.
 
-lemma bisim_step_true: ∀m.∀p.∀frontier,visited: list (space Bin).
+lemma bisim_step_true: ∀Sig,l,m.∀p.∀frontier,visited: list ?.
 beqb (\snd (\fst p)) (\snd (\snd p)) = true →
-  bisim (S m) (p::frontier) visited = 
-  bisim m (unique_append ? (filter ? (λx.notb(memb (space Bin) x (p::visited))) (sons p)) frontier) (p::visited).
-#m #p #frontier #visited #test >unfold_bisim normalize nodelta >test // 
+  bisim Sig l (S m) (p::frontier) visited = 
+  bisim Sig l m (unique_append ? (filter ? (λx.notb(memb ? x (p::visited))) 
+    (sons Sig l p)) frontier) (p::visited).
+#Sig #l #m #p #frontier #visited #test >unfold_bisim normalize nodelta >test // 
 qed.
 
-lemma bisim_step_false: ∀m.∀p.∀frontier,visited: list (space Bin).
+lemma bisim_step_false: ∀Sig,l,m.∀p.∀frontier,visited: list ?.
 beqb (\snd (\fst p)) (\snd (\snd p)) = false →
-  bisim (S m) (p::frontier) visited = 〈false,visited〉.
-#m #p #frontier #visited #test >unfold_bisim normalize nodelta >test // 
-qed.
-definition visited_inv ≝ λe1,e2:pre Bin.λvisited: list (space Bin).
-uniqueb ? visited = true ∧  
-  ∀p. memb ? p visited = true → 
-   (∃w.(moves Bin w e1 = \fst p) ∧ (moves Bin w e2 = \snd p)) ∧ 
-   (beqb (\snd (\fst p)) (\snd (\snd p)) = true).
-  
-definition frontier_inv ≝ λfrontier,visited: list (space Bin).
-uniqueb ? frontier = true ∧ 
-∀p. memb ? p frontier = true →  
-  memb ? p visited = false ∧
-  ∃p1.((memb ? p1 visited = true) ∧
-   (∃a. move ? a (\fst (\fst p1)) = \fst p ∧ 
-        move ? a (\fst (\snd p1)) = \snd p)).
-
-(* lemma andb_true: ∀b1,b2:bool. 
-  (b1 ∧ b2) = true → (b1 = true) ∧ (b2 = true).
-#b1 #b2 cases b1 normalize #H [>H /2/ |@False_ind /2/].
+  bisim Sig l (S m) (p::frontier) visited = 〈false,visited〉.
+#Sig #l #m #p #frontier #visited #test >unfold_bisim normalize nodelta >test // 
 qed.
 
-lemma andb_true_r: ∀b1,b2:bool. 
-  (b1 = true) ∧ (b2 = true) → (b1 ∧ b2) = true.
-#b1 #b2 cases b1 normalize * // 
-qed. *)
-
 lemma notb_eq_true_l: ∀b. notb b = true → b = false.
 #b cases b normalize //
 qed.
 
-lemma notb_eq_true_r: ∀b. b = false → notb b = true.
-#b cases b normalize //
-qed.
-lemma notb_eq_false_l:∀b. notb b = false → b = true.
-#b cases b normalize //
-qed.
-
-lemma notb_eq_false_r:∀b. b = true → notb b = false.
-#b cases b normalize //
-qed.
-
+(* In order to prove termination of bisim we must be able to effectively 
+enumerate all possible pres: *)
 
-(* include "arithmetics/exp.ma". *)
-
-let rec pos S (i:re S) on i ≝ 
-  match i with
-  [ z ⇒ 0
-  | e ⇒ 0
-  | s y ⇒ 1
-  | o i1 i2 ⇒ pos S i1 + pos S i2
-  | c i1 i2 ⇒ pos S i1 + pos S i2
-  | k i ⇒ pos S i
-  ].
-
-  
 let rec pitem_enum S (i:re S) on i ≝
   match i with
   [ z ⇒ [pz S]
@@ -335,125 +385,146 @@ let rec pitem_enum S (i:re S) on i ≝
   | c i1 i2 ⇒ compose ??? (pc S) (pitem_enum S i1) (pitem_enum S i2)
   | k i ⇒ map ?? (pk S) (pitem_enum S i)
   ].
-
-axiom pitem_enum_complete: ∀i: pitem Bin.
-  memb BinItem i (pitem_enum ? (forget ? i)) = true.
-(*
-#i elim i
-  [//
-  |//
-  |* //
-  |* // 
-  |#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 @memb_compose //
-  |#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 @memb_compose //
-  |
-*)
+  
+lemma pitem_enum_complete : ∀S.∀i:pitem S.
+  memb (DeqItem S) i (pitem_enum S (|i|)) = true.
+#S #i elim i 
+  [1,2://
+  |3,4:#c normalize >(\b (refl … c)) //
+  |5,6:#i1 #i2 #Hind1 #Hind2 @(memb_compose (DeqItem S) (DeqItem S)) //
+  |#i #Hind @(memb_map (DeqItem S)) //
+  ]
+qed.
 
 definition pre_enum ≝ λS.λi:re S.
   compose ??? (λi,b.〈i,b〉) (pitem_enum S i) [true;false].
+  
+lemma pre_enum_complete : ∀S.∀e:pre S.
+  memb ? e (pre_enum S (|\fst e|)) = true.
+#S * #i #b @(memb_compose (DeqItem S) DeqBool ? (λi,b.〈i,b〉))
+// cases b normalize //
+qed.
  
 definition space_enum ≝ λS.λi1,i2:re S.
-  compose ??? (λe1,e2.〈e1,e2〉) (pre_enum S i1) (pre_enum S i1).
-
-axiom space_enum_complete : ∀S.∀e1,e2: pre S.
-  memb (space S) 〈e1,e2〉 (space_enum S (|\fst e1|) (|\fst e2|)) = true.
-   
-lemma bisim_ok1: ∀e1,e2:pre Bin.\sem{e1}=1\sem{e2} → 
- ∀n.∀frontier,visited:list (space Bin).
- |space_enum Bin (|\fst e1|) (|\fst e2|)| < n + |visited|→
- visited_inv e1 e2 visited →  frontier_inv frontier visited →
- \fst (bisim n frontier visited) = true.
-#e1 #e2 #same #n elim n 
+  compose ??? (λe1,e2.〈e1,e2〉) (pre_enum S i1) (pre_enum S i2).
+
+lemma space_enum_complete : ∀S.∀e1,e2: pre S.
+  memb ? 〈e1,e2〉 (space_enum S (|\fst e1|) (|\fst e2|)) = true.
+#S #e1 #e2 @(memb_compose … (λi,b.〈i,b〉))
+// qed.
+
+(* We are ready to prove that bisim is correct; we use the invariant 
+that at each call of bisim the two lists visited and frontier only contain 
+nodes reachable from \langle e_1,e_2\rangle, hence it is absurd to suppose 
+to meet a pair which is not cofinal. *)
+
+definition all_reachable ≝ λS.λe1,e2:pre S.λl: list ?.
+uniqueb ? l = true ∧ 
+  ∀p. memb ? p l = true → 
+    ∃w.(moves S w e1 = \fst p) ∧ (moves S w e2 = \snd p). 
+
+definition disjoint ≝ λS:DeqSet.λl1,l2.
+  ∀p:S. memb S p l1 = true →  memb S p l2 = false.
+        
+lemma bisim_correct: ∀S.∀e1,e2:pre S.\sem{e1}≐\sem{e2} → 
+ ∀l,n.∀frontier,visited:list ((pre S)×(pre S)).
+ |space_enum S (|\fst e1|) (|\fst e2|)| < n + |visited|→
+ all_reachable S e1 e2 visited →  
+ all_reachable S e1 e2 frontier →
+ disjoint ? frontier visited →
+ \fst (bisim S l n frontier visited) = true.
+#Sig #e1 #e2 #same #l #n elim n 
   [#frontier #visited #abs * #unique #H @False_ind @(absurd … abs)
    @le_to_not_lt @sublist_length // * #e11 #e21 #membp 
    cut ((|\fst e11| = |\fst e1|) ∧ (|\fst e21| = |\fst e2|))
    [|* #H1 #H2 <H1 <H2 @space_enum_complete]
-   cases (H … membp) * #w * >fst_eq >snd_eq #we1 #we2 #_
-   <we1 <we2 % //    
+   cases (H … membp) #w * #we1 #we2 <we1 <we2 % >same_kernel_moves //    
   |#m #HI * [#visited #vinv #finv >bisim_end //]
-   #p #front_tl #visited #Hn * #u_visited #vinv * #u_frontier #finv
-   cases (finv p (memb_hd …)) #Hp * #p2 * #visited_p2
-   * #a * #movea1 #movea2 
-   cut (∃w.(moves Bin w e1 = \fst p) ∧ (moves Bin w e2 = \snd p))
-     [cases (vinv … visited_p2) -vinv * #w1 * #mw1 #mw2 #_
-      @(ex_intro … (w1@[a])) /2/] 
-   -movea2 -movea1 -a -visited_p2 -p2 #reachp
+   #p #front_tl #visited #Hn * #u_visited #r_visited * #u_frontier #r_frontier 
+   #disjoint
+   cut (∃w.(moves ? w e1 = \fst p) ∧ (moves ? w e2 = \snd p)) 
+    [@(r_frontier … (memb_hd … ))] #rp
    cut (beqb (\snd (\fst p)) (\snd (\snd p)) = true)
-     [cases reachp #w * #move_e1 #move_e2 <move_e1 <move_e2
-      @(proj2 … (beqb_ok … )) @(proj1 … (equiv_sem … )) @same 
-     |#ptest >(bisim_step_true … ptest) @HI -HI
-       [<plus_n_Sm //
-       |% [whd in ⊢ (??%?); >Hp whd in ⊢ (??%?); //]
-        #p1 #H (cases (orb_true_l … H))
-         [#eqp <(proj1 … (eqb_true (space Bin) ? p1) eqp) % // 
-         |#visited_p1 @(vinv … visited_p1)
-         ]
-       |whd % [@unique_append_unique @(andb_true_r … u_frontier)]
-        @unique_append_elim #q #H
-         [% 
-           [@notb_eq_true_l @(filter_true … H) 
-           |@(ex_intro … p) % // 
-            @(memb_sons … (memb_filter_memb … H))
-           ]
-         |cases (finv q ?) [|@memb_cons //]
-          #nvq * #p1 * #Hp1 #reach %
-           [cut ((p==q) = false) [|#Hpq whd in ⊢ (??%?); >Hpq @nvq]
-            cases (andb_true … u_frontier) #notp #_ 
-            @(not_memb_to_not_eq … H) @notb_eq_true_l @notp 
-           |cases (proj2 … (finv q ?)) 
-             [#p1 *  #Hp1 #reach @(ex_intro … p1) % // @memb_cons //
-             |@memb_cons //
-             ]
-          ]
-        ]  
-      ]
-    ]
-  ]
-qed.
+    [cases rp #w * #fstp #sndp <fstp <sndp @(\b ?) 
+     @(proj1 … (equiv_sem … )) @same] #ptest 
+   >(bisim_step_true … ptest) @HI -HI 
+     [<plus_n_Sm //
+     |% [whd in ⊢ (??%?); >(disjoint … (memb_hd …)) whd in ⊢ (??%?); //
+        |#p1 #H (cases (orb_true_l … H)) [#eqp >(\P eqp) // |@r_visited]
+        ]
+     |whd % [@unique_append_unique @(andb_true_r … u_frontier)]
+      @unique_append_elim #q #H
+       [cases (memb_sons … (memb_filter_memb … H)) -H
+        #a * #m1 #m2 cases rp #w1 * #mw1 #mw2 @(ex_intro … (w1@[a]))
+        >moves_left >moves_left >mw1 >mw2 >m1 >m2 % // 
+       |@r_frontier @memb_cons //
+       ]
+     |@unique_append_elim #q #H
+       [@injective_notb @(filter_true … H)
+       |cut ((q==p) = false) 
+         [|#Hpq whd in ⊢ (??%?); >Hpq @disjoint @memb_cons //]
+        cases (andb_true … u_frontier) #notp #_ @(\bf ?) 
+        @(not_to_not … not_eq_true_false) #eqqp <notp <eqqp >H //
+       ]
+     ]
+   ]  
+qed.     
 
-definition all_true ≝ λl.∀p. memb (space Bin) p l = true → 
+definition all_true ≝ λS.λl.∀p:(pre S) × (pre S). memb ? p l = true → 
   (beqb (\snd (\fst p)) (\snd (\snd p)) = true).
 
-definition sub_sons ≝ λl1,l2.∀x,a. 
-memb (space Bin) x l1 = true → 
-  memb (space Bin) 〈move ? a (\fst (\fst x)), move ? a (\fst (\snd x))〉 l2 = true.
-
-lemma reachable_bisim: 
- ∀n.∀frontier,visited,visited_res:list (space Bin).
- all_true visited →
- sub_sons visited (frontier@visited) →
- bisim n frontier visited = 〈true,visited_res〉 → 
-  (sub_sons visited_res visited_res ∧ 
-   sublist ? visited visited_res ∧
-   all_true visited_res).
-#n elim n
+definition sub_sons ≝ λS,l,l1,l2.∀x:(pre S) × (pre S). 
+memb ? x l1 = true → sublist ? (sons ? l x) l2. 
+
+(* For completeness, we use the invariant that all the nodes in visited are cofinal, 
+and the sons of visited are either in visited or in the frontier; since
+at the end frontier is empty, visited is hence a bisimulation. *)
+
+lemma bisim_complete: 
+ ∀S,l,n.∀frontier,visited,visited_res:list ?.
+ all_true S visited →
+ sub_sons S l visited (frontier@visited) →
+ bisim S l n frontier visited = 〈true,visited_res〉 →
+ is_bisim S visited_res l ∧ sublist ? (frontier@visited) visited_res. 
+#S #l #n elim n
   [#fron #vis #vis_res #_ #_ >bisim_never #H destruct
   |#m #Hind * 
-    [-Hind #vis #vis_res #allv #H normalize in  ⊢ (%→?);
-     #H1 destruct % // % // #p /2/ 
+    [(* case empty frontier *)
+     -Hind #vis #vis_res #allv #H normalize in  ⊢ (%→?);
+     #H1 destruct % #p 
+      [#membp % [@(\P ?) @allv //| @H //]|#H1 @H1]
     |#hd cases (true_or_false (beqb (\snd (\fst hd)) (\snd (\snd hd))))
-      [|#H #tl #vis #vis_res #allv >(bisim_step_false … H) #_ #H1 destruct]
+      [|(* case head of the frontier is non ok (absurd) *)
+       #H #tl #vis #vis_res #allv >(bisim_step_false … H) #_ #H1 destruct]
+     (* frontier = hd:: tl and hd is ok *)
      #H #tl #visited #visited_res #allv >(bisim_step_true … H)
-     cut (all_true (hd::visited)) 
-      [#p #H cases (orb_true_l … H) 
-        [#eqp <(proj1 … (eqb_true …) eqp) // |@allv]]
-     #allh #subH #bisim cases (Hind … allh … bisim) -Hind
-      [* #H1 #H2 #H3 % // % // #p #H4 @H2 @memb_cons //]  
-     #x #a #membx
-     cases (orb_true_l … membx)
-      [#eqhdx >(proj1 … (eqb_true …) eqhdx)
-       letin xa ≝ 〈move Bin a (\fst (\fst x)), move Bin a (\fst (\snd x))〉
-       cases (true_or_false … (memb (space Bin) xa (x::visited)))
-        [#membxa @memb_append_l2 //
-        |#membxa @memb_append_l1 @sublist_unique_append_l1 @memb_filter_l
-          [>membxa //
-          |whd in ⊢ (??(??%%)?); cases a [@memb_hd |@memb_cons @memb_hd]
+     (* new_visited = hd::visited are all ok *)
+     cut (all_true S (hd::visited)) 
+      [#p #H1 cases (orb_true_l … H1) [#eqp >(\P eqp) @H |@allv]]
+     (* we now exploit the induction hypothesis *)
+     #allh #subH #bisim cases (Hind … allh … bisim) -bisim -Hind
+      [#H1 #H2 % // #p #membp @H2 -H2 cases (memb_append … membp) -membp #membp
+        [cases (orb_true_l … membp) -membp #membp
+          [@memb_append_l2 >(\P membp) @memb_hd
+          |@memb_append_l1 @sublist_unique_append_l2 // 
           ]
+        |@memb_append_l2 @memb_cons //
+        ] 
+      |(* the only thing left to prove is the sub_sons invariant *)  
+     #x #membx cases (orb_true_l … membx)
+      [(* case x = hd *) 
+       #eqhdx <(\P eqhdx) #xa #membxa
+       (* xa is a son of x; we must distinguish the case xa 
+        was already visited form the case xa is new *)
+       cases (true_or_false … (memb ? xa (x::visited)))
+        [(* xa visited - trivial *) #membxa @memb_append_l2 //
+        |(* xa new *) #membxa @memb_append_l1 @sublist_unique_append_l1 @memb_filter_l
+          [>membxa //|//]
         ]
-      |#H1 letin xa ≝ 〈move Bin a (\fst (\fst x)), move Bin a (\fst (\snd x))〉
-       cases (memb_append … (subH x a H1))  
+      |(* case x in visited *)
+       #H1 #xa #membxa cases (memb_append … (subH x … H1 … membxa))  
         [#H2 (cases (orb_true_l … H2)) 
-          [#H3 @memb_append_l2 >(proj1 … (eqb_true …) H3) @memb_hd
+          [#H3 @memb_append_l2 <(\P H3) @memb_hd
           |#H3 @memb_append_l1 @sublist_unique_append_l2 @H3
           ]
         |#H2 @memb_append_l2 @memb_cons @H2
@@ -461,46 +532,151 @@ lemma reachable_bisim:
       ]
     ]
   ]
-qed.       
-
-axiom bisim_char: ∀e1,e2:pre Bin.
-(∀w.(beqb (\snd (moves ? w e1)) (\snd (moves ? w e2))) = true) → 
-\sem{e1}=1\sem{e2}.
-
-lemma bisim_ok2: ∀e1,e2:pre Bin.
- (beqb (\snd e1) (\snd e2) = true) →
- ∀n.∀frontier:list (space Bin).
- sub_sons [〈e1,e2〉] (frontier@[〈e1,e2〉]) →
- \fst (bisim n frontier [〈e1,e2〉]) = true → \sem{e1}=1\sem{e2}.
-#e1 #e2 #Hnil #n #frontier #init #bisim_true
-letin visited_res ≝ (\snd (bisim n frontier [〈e1,e2〉]))
-cut (bisim n frontier [〈e1,e2〉] = 〈true,visited_res〉)
-  [<bisim_true <eq_pair_fst_snd //] #H
-cut (all_true [〈e1,e2〉]) 
-  [#p #Hp cases (orb_true_l … Hp) 
-    [#eqp <(proj1 … (eqb_true …) eqp) // 
-    | whd in ⊢ ((??%?)→?); #abs @False_ind /2/
-    ]] #allH 
-cases (reachable_bisim … allH init … H) * #H1 #H2 #H3
-cut (∀w,p.memb (space Bin) p visited_res = true → 
-  memb (space Bin) 〈moves ? w (\fst p), moves ? w (\snd p)〉 visited_res = true)
-  [#w elim w [* //] 
-   #a #w1 #Hind * #e11 #e21 #visp >fst_eq >snd_eq >moves_cons >moves_cons 
-   @(Hind 〈?,?〉) @(H1 〈?,?〉) //] #all_reach
-@bisim_char #w @(H3 〈?,?〉) @(all_reach w 〈?,?〉) @H2 //
 qed.
+
+definition equiv ≝ λSig.λre1,re2:re Sig. 
+  let e1 ≝ •(blank ? re1) in
+  let e2 ≝ •(blank ? re2) in
+  let n ≝ S (length ? (space_enum Sig (|\fst e1|) (|\fst e2|))) in
+  let sig ≝ (occ Sig e1 e2) in
+  (bisim ? sig n [〈e1,e2〉] []).
+
+theorem euqiv_sem : ∀Sig.∀e1,e2:re Sig.
+   \fst (equiv ? e1 e2) = true ↔ \sem{e1} ≐ \sem{e2}.
+#Sig #re1 #re2 %
+  [#H @eqP_trans [|@eqP_sym @re_embedding] @eqP_trans [||@re_embedding]
+   cut (equiv ? re1 re2 = 〈true,\snd (equiv ? re1 re2)〉)
+     [<H //] #Hcut
+   cases (bisim_complete … Hcut) 
+     [2,3: #p whd in ⊢ ((??%?)→?); #abs @False_ind /2/] 
+   #Hbisim #Hsub @(bisim_to_sem … Hbisim) 
+   @Hsub @memb_hd
+  |#H @(bisim_correct ? (•(blank ? re1)) (•(blank ? re2))) 
+    [@eqP_trans [|@re_embedding] @eqP_trans [|@H] @eqP_sym @re_embedding
+    |// 
+    |% // #p whd in ⊢ ((??%?)→?); #abs @False_ind /2/  
+    |% // #p #H >(memb_single … H) @(ex_intro … ϵ) /2/
+    |#p #_ normalize //
+    ]
+  ]
+qed.
+
+definition eqbnat ≝ λn,m:nat. eqb n m.
+
+lemma eqbnat_true : ∀n,m. eqbnat n m = true ↔ n = m.
+#n #m % [@eqb_true_to_eq | @eq_to_eqb_true]
+qed.
+
+definition DeqNat ≝ mk_DeqSet nat eqbnat eqbnat_true.
+
+definition a ≝ s DeqNat 0.
+definition b ≝ s DeqNat 1.
+definition c ≝ s DeqNat 2.
+
+definition exp1 ≝ ((a·b)^*·a).
+definition exp2 ≝ a·(b·a)^*.
+definition exp4 ≝ (b·a)^*.
+
+definition exp5 ≝ (a·(a·(a·b)^*·b)^*·b)^*.
+
+example 
+  moves1: \snd (moves DeqNat [0;1;0] (•(blank ? exp2))) = true.
+normalize // 
+qed.
+
+example 
+  moves2: \snd (moves DeqNat [0;1;0;0;0] (•(blank ? exp2))) = false.
+normalize // qed.
+
+example 
+  moves3: \snd (moves DeqNat [0;0;0;1;0;1;1;0;1;1] (•(blank ? exp5))) = true.
+normalize // qed.
+
+example 
+  moves4: \snd (moves DeqNat [0;0;0;1;0;1;1;0;1;1;1;0] (•(blank ? exp5))) = false.
+normalize // qed.
+
+definition exp6 ≝ a·(a ·a ·b^* + b^* ).
+definition exp7 ≝ a · a^* · b^*.
+
+definition exp8 ≝ a·a·a·a·a·a·a·a·(a^* ).
+definition exp9 ≝ (a·a·a + a·a·a·a·a)^*.
+
+example ex1 : \fst (equiv ? (exp8+exp9) exp9) = true.
+normalize // qed.
+
+definition exp10 ≝ a·a·a·a·a·a·a·a·a·a·a·a·(a^* ).
+definition exp11 ≝ (a·a·a·a·a + a·a·a·a·a·a·a)^*.
+
+example ex2 : \fst (equiv ? (exp10+exp11) exp11) = false.
+normalize // qed.
+
+definition exp12 ≝
+  (a·a·a·a·a·a·a·a)·(a·a·a·a·a·a·a·a)·(a·a·a·a·a·a·a·a)·(a^* ).
   
-definition tt ≝ ps Bin true.
-definition ff ≝ ps Bin false.
-definition eps ≝ pe Bin.
-definition exp1 ≝ (ff + tt · ff).
-definition exp2 ≝  ff · (eps + tt).
+example ex3 : \fst (equiv ? (exp12+exp11) exp11) = true.
+normalize // qed.
+
+let rec raw (n:nat) ≝
+  match n with
+  [ O ⇒ a
+  | S p ⇒ a · (raw p)
+  ].
+
+let rec alln (n:nat) ≝
+  match n with
+  [O ⇒ ϵ
+  |S m ⇒ raw m + alln m
+  ].
+
+definition testA ≝ λx,y,z,b.
+  let e1 ≝ raw x in
+  let e2 ≝ raw y in
+  let e3 ≝ (raw z) · a^* in
+  let e4 ≝ (e1 + e2)^* in
+  \fst (equiv ? (e3+e4) e4) = b.
+  
+example ex4 : testA 2 4 7 true.
+normalize // qed.
+
+example ex5 : testA 3 4 10 false.
+normalize // qed.
+
+example ex6 : testA 3 4 11 true.
+normalize // qed.
+
+example ex7 : testA 4 5 18 false.
+normalize // qed.
+
+example ex8 : testA 4 5 19 true.
+normalize // qed.
+
+example ex9 : testA 4 6 22 false.
+normalize // qed.
+
+example ex10 : testA 4 6 23 true.
+normalize // qed.
+
+definition testB ≝ λn,b.
+  \fst (equiv ? ((alln n)·((raw n)^* )) a^* ) = b.
+
+example ex11 : testB 6 true.
+normalize // qed.
+
+example ex12 : testB 8 true.
+normalize // qed.
 
-definition exp3 ≝ move Bin true (\fst (•exp1)).
-definition exp4 ≝ move Bin true (\fst (•exp2)).
-definition exp5 ≝ move Bin false (\fst (•exp1)).
-definition exp6 ≝ move Bin false (\fst (•exp2)).
+example ex13 : testB 10 true.
+normalize // qed.
 
+example ex14 : testB 12 true.
+normalize // qed.
 
+example ex15 : testB 14 true.
+normalize // qed.
 
+example ex16 : testB 16 true.
+normalize // qed.
 
+example ex17 : testB 18 true.
+normalize // qed.