]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - weblib/tutorial/chapter1.ma
Added sections in chapter 1.
[helm.git] / weblib / tutorial / chapter1.ma
index d2f3b31f29ae922e5e38f88c7c640d052fda48b2..c46004f24d106a7f03eea1812ebc5620ee7d65a9 100644 (file)
@@ -1,4 +1,5 @@
-(*
+(* 
+\ 5h1\ 6Matita Interactive Tutorial\ 5/h1\ 6
 This is an interactive tutorial. To let you interact on line with the system, 
 you must first of all register yourself.
 
@@ -15,15 +16,20 @@ a file. The play button is meant to process the script up to a position
 previously selected by the user; the bottom button execute the whole script. 
 That's it: we are\ 5span style="font-family: Verdana,sans-serif;"\ 6 \ 5/span\ 6now ready to start.
 
-The first thing to say is that in a system like Matita's very few things are 
-built-in: not even booleans or logical connectives. The main philosophy of the 
-system is to let you define your own data-types and functions using a powerful 
-computational mechanism based on the declaration of inductive types. 
+\ 5h2 class="section"\ 6Data types, functions and theorems\ 5/h2\ 6
+Matita is both a programming language and a theorem proving environment:
+you define datatypes and programs, and then prove properties on them.
+Very few things are built-in: not even booleans or logical connectives
+(but you may of course use libraries, as in normal programming languages). 
+The main philosophy of the system is to let you define your own data-types 
+and functions using a powerful computational mechanism based on the 
+declaration of inductive types. 
 
 Let us start this tutorial with a simple example based on the following well 
 known problem.
 
-\ 5h2 class="section"\ 6The goat, the wolf and the cabbage\ 5/h2\ 6\ 5div class="paragraph"\ 6\ 5/div\ 6A farmer need to transfer a goat, a wolf and a cabbage across a river, but there
+\ 5b\ 6The goat, the wolf and the cabbage\ 5/b\ 6
+A farmer need to transfer a goat, a wolf and a cabbage across a river, but there
 is only one place available on his boat. Furthermore, the goat will eat the 
 cabbage if they are left alone on the same bank, and similarly the wolf will eat
 the goat. The problem consists in bringing all three items safely across the 
@@ -97,8 +103,9 @@ it. *)
 lemma west_to_east : \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6 \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,1,0)"\ 6east\ 5/a\ 6.
 // qed.
 
-(* A slightly more complex problem consists in proving that opposite is 
-idempotent *)
+(*
+\ 5h2 class="section"\ 6Case analysis\ 5/h2\ 6
+A slightly more complex problem consists in proving that opposite is idempotent *)
 
 lemma idempotent_opposite : ∀x. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 x) \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 x.
 
@@ -134,10 +141,12 @@ them in turn, in a way that will be described at the end of this section.
 
 // qed.
 
-(* Instead of working with functions, it is sometimes convenient to work with
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Predicates\ 5/h2\ 6
+Instead of working with functions, it is sometimes convenient to work with
 predicates. For instance, instead of defining a function computing the opposite 
 bank, we could declare a predicate stating when two banks are opposite to each 
-other. Only two cases are possible, leading naturally two the following 
+other. Only two cases are possible, leading naturally to the following 
 definition:
 *)
 
@@ -148,12 +157,50 @@ inductive opp : \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.ind(1,0,0)"\ 6bank\ 5/a\ 6
 (* In precisely the same way as "bank" is the smallest type containing east and
 west, opp is the smallest predicate containing the two sub-cases east_west and
 weast_east. If you have some familiarity with Prolog, you may look at opp as the
-predicate definined by the two clauses - in this case, the two facts -
-(opp east west) and (opp west east). 
-At the end of this section we shall prove that forall a and b, 
-                  (opp a b) iff a = opposite b.
-For the moment, it is time to proceed with our formalization of the farmer's 
-problem. 
+predicate defined by the two clauses - in this case, the two facts - ast_west and
+west_east.
+
+Between opp and opposite we have the following relation:
+    opp a b iff a = opposite b
+Let us prove it, starting from the left to right implication, first *)
+
+lemma opp_to_opposite: ∀a,b. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 a b → a \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 b.
+(* We start the proof introducing a, b and the hypothesis opp a b, that we
+call oppab. *)
+#a #b #oppab
+
+(* Now we proceed by cases on the possible proofs of (opp a b), that is on the 
+possible shapes of oppab. By definition, there are only two possibilities, 
+namely east_west or west_east. Both subcases are trivial, and can be closed by
+automation *)
+
+cases oppab // qed.
+
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Rewriting\ 5/h2\ 6
+Let us come to the opposite direction. *)
+
+lemma opposite_to_opp: ∀a,b. a \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 b → \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 a b.
+
+(* As usual, we start introducing a, b and the hypothesis (a = opposite b), 
+that we call eqa. *)
+
+#a #b #eqa
+
+(* The right way to proceed, now, is by rewriting a into (opposite b). We do
+this by typing ">eqa". If we wished to rewrite in the opposite direction, namely
+opposite b into a, we would have typed "<eqa". *)
+
+>eqa
+
+(* We conclude the proof by cases on b. *)
+
+cases b // qed.
+
+(*
+\ 5h2 class="section"\ 6Records\ 5/h2\ 6
+It is time to proceed with our formalization of the farmer's problem. 
 A state of the system is defined by the position of four item: the goat, the 
 wolf, the cabbage, and the boat. The simplest way to declare such a data type
 is to use a record.
@@ -176,7 +223,9 @@ definition end ≝ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_s
 of a relation (a binary predicate) over states. *)
 
 inductive move : \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.ind(1,0,0)"\ 6state\ 5/a\ 6 → \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.ind(1,0,0)"\ 6state\ 5/a\ 6 → Prop ≝
-| move_goat: ∀g,g1,w,c. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 g g1 → move (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c g) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g1 w c g1) 
+| move_goat: ∀g,g1,w,c. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 g g1 → move (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c g) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g1 w c g1)
+  (* We can move the goat from a bank g to the opposite bank g1 if and only if the
+     boat is on the same bank g of the goat and we move the boat along with it. *)
 | move_wolf: ∀g,w,w1,c. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 w w1 → move (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c w) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w1 c w1)
 | move_cabbage: ∀g,w,c,c1.\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 c c1 → move (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c c) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c1 c1)
 | move_boat: ∀g,w,c,b,b1. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 b b1 → move (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c b) (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 g w c b1).
@@ -196,7 +245,9 @@ inductive reachable : \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.ind(1,0,0)"\ 6s
 | one : ∀x,y.\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.ind(1,0,0)"\ 6move\ 5/a\ 6 x y → reachable x y
 | more : ∀x,z,y. \ 5span style="text-decoration: underline;"\ 6\ 5/span\ 6reachable x z → \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.ind(1,0,0)"\ 6safe_state\ 5/a\ 6 z → \ 5span style="text-decoration: underline;"\ 6\ 5/span\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.ind(1,0,0)"\ 6move\ 5/a\ 6 z y → reachable x y.
 
-(* Remarkably, Matita is now able to solve the problem by itslef, provided
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Automation\ 5/h2\ 6
+Remarkably, Matita is now able to solve the problem by itslef, provided
 you allow automation to exploit more resources. The command /n/ is similar to
 //, where n is a measure of this complexity: in particular it is a bound to
 the depth of the expected proof tree (more precisely, to the number of nested
@@ -205,17 +256,25 @@ need a few more applications to handle reachability, and side conditions.
 The magic number to let automation work is, in this case, 9.  *)
 
 lemma problem: \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.ind(1,0,0)"\ 6reachable\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/start.def(1)"\ 6start\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/end.def(1)"\ 6end\ 5/a\ 6.
-normalize /9/ qed. 
+normalize /\ 5span class="autotactic"\ 69\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,1,0)"\ 6one\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,1,0)"\ 6with_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,2,0)"\ 6opposite_side\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,1,0)"\ 6move_goat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,2,0)"\ 6move_wolf\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,3,0)"\ 6move_cabbage\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,4,0)"\ 6move_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,2,0)"\ 6west_east\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ qed. 
 
-(* Let us now try to derive the proof in a more interactive way. Of course, we
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Application\ 5/h2\ 6
+Let us now try to derive the proof in a more interactive way. Of course, we
 expect to need several moves to transfer all items from a bank to the other, so 
-we should start our proof by applying "more".
+we should start our proof by applying "more". Matita syntax for invoking the 
+application of a property named foo is to write "@foo". In general, the philosophy 
+of Matita is to describe each proof of a property P as a structured collection of 
+results required for proving P, prefixed by simple modalities (<,@,...) explaining 
+the way the result is used (e.g. for rewriting, in an applicative step, and so on).
 *)
 
 lemma problem1: \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.ind(1,0,0)"\ 6reachable\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/start.def(1)"\ 6start\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/end.def(1)"\ 6end\ 5/a\ 6.
 normalize @\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6
 
-(* We have now four open subgoals:
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Focusing\ 5/h2\ 6
+After performing the previous application, we have four open subgoals:
 
   X : STATE
   Y : reachable [east,east,east,east] X
@@ -266,14 +325,16 @@ requires /2/ since move_goat opens an additional subgoal. By applying "]" we
 refocus on the skipped goal, going back to a situation similar to the one we
 started with. *)
 
-  | /2/ ] 
+  | /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,1,0)"\ 6move_goat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ ] 
 
-(* Let us perform the next step, namely moving back the boat, in a sligtly 
+(* 
+\ 5h2 class="section"\ 6Implicit arguments\ 5/h2\ 6
+Let us perform the next step, namely moving back the boat, in a sligtly 
 different way. The more operation expects as second argument the new 
 intermediate state, hence instead of applying more we can apply this term
 already instatated on the next intermediate state. As first argument, we
 type a question mark that stands for an implicit argument to be guessed by
-the syste. *)
+the system. *)
 
 @(\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6 ? (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/state.con(0,1,0)"\ 6mk_state\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,1,0)"\ 6east\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6))
 
@@ -281,43 +342,31 @@ the syste. *)
 trivial. We\ 5span style="font-family: Verdana,sans-serif;"\ 6 \ 5/span\ 6can just apply automation to all of them, and it will close the two
 trivial goals. *)
 
-/2/
-
-(*  *)
-
-(* We start the proof introducing a, b and the hypothesis opp a b, that we
-call oppab. *)
-#a #b #oppab
-
-(* Now we proceed by cases on the possible proofs of (opp a b), that is on the 
-possible shapes of oppab. By definition, there are only two possibilities, 
-namely east_west or west_east. Both subcases are trivial, and can be closed by
-automation *)
-
-cases oppab // qed.
+/\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,2,0)"\ 6opposite_side\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,4,0)"\ 6move_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,2,0)"\ 6west_east\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
 
-(* Let us come to the opposite direction. *)
-
-lemma opposite_to_opp: ∀a,b. a \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opposite.def(1)"\ 6opposite\ 5/a\ 6 b → \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.ind(1,0,0)"\ 6opp\ 5/a\ 6 a b.
-
-(* As usual, we start introducing a, b and the hypothesis (a = opposite b), 
-that we call eqa. *)
-
-#a #b #eqa
-
-(* The right way to proceed, now, is by rewriting a into (opposite b). We do
-this by typing ">eqa". If we wished to rewrite in the opposite direction, namely
-opposite b into a, we would have typed "<eqa". *)
+(* Let us come to the next step, that consists in moving the wolf. Suppose that 
+instead of specifying the next intermediate state, we prefer to specify the next 
+move. In the spirit of the previous example, we can do it in the following way 
+*)
 
->eqa
+@(\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,2,0)"\ 6move_wolf\ 5/a\ 6 … ))
 
-(* We conclude the proof by cases on b. *)
+(* The dots stand here for an arbitrary number of implicit arguments, to be 
+guessed by the system. 
+Unfortunately, the previous move is not enough to fully instantiate the new 
+intermediate state: a bank B remains unknown. Automation cannot help here,
+since all goals depend from this bank and automation refuses to close some
+subgoals instantiating other subgoals remaining open (the instantiation could
+be arbitrary). The simplest way to proceed is to focus on the bank, that is
+the fourth subgoal, and explicitly instatiate it. Instead of repeatedly using "|",
+we can perform focusing by typing "4:" as described by the following command. *)
 
-cases b // qed.
+[4: @\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,1,0)"\ 6east\ 5/a\ 6] /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,1,0)"\ 6with_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
 
-(* Let's do now an important remark. 
-Let us state again the problem of the goat, the wolf and the cabbage, and let
-us retry to run automation. *)
+(* Alternatively, we can directly instantiate the bank into the move. Let
+us complete the proof in this, very readable way. *)
 
-lemma problem_bis: \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.ind(1,0,0)"\ 6reachable\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/start.def(1)"\ 6start\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/end.def(1)"\ 6end\ 5/a\ 6.
-normalize /9/  
\ No newline at end of file
+@(\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,1,0)"\ 6move_goat\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6 … )) /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,1,0)"\ 6with_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,2,0)"\ 6west_east\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
+@(\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,3,0)"\ 6move_cabbage\ 5/a\ 6 ?? \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,1,0)"\ 6east\ 5/a\ 6 … )) /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,2,0)"\ 6opposite_side\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,2,0)"\ 6west_east\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
+@(\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,2,0)"\ 6more\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,4,0)"\ 6move_boat\ 5/a\ 6 ??? \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/bank.con(0,2,0)"\ 6west\ 5/a\ 6 … )) /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/safe_state.con(0,1,0)"\ 6with_boat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,2,0)"\ 6west_east\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
+@\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/reachable.con(0,1,0)"\ 6one\ 5/a\ 6 /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/move.con(0,1,0)"\ 6move_goat\ 5/a\ 6\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter1/opp.con(0,1,0)"\ 6east_west\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ qed.
\ No newline at end of file