]> matita.cs.unibo.it Git - helm.git/blobdiff - weblib/tutorial/chapter2.ma
commit by user andrea
[helm.git] / weblib / tutorial / chapter2.ma
index 85815e006cb566b40ae971bbbde955cc223b9d0e..42b3d8e74043eed56c8c5625cfad6cfab1143b38 100644 (file)
@@ -1,26 +1,27 @@
 include "basics/types.ma".
 
-(* Most of the types we have seen so far are enumerated types, composed by a finite set of 
-alternatives, and records, composed by tuples of heteregoneous elements. 
-A more interesting case of type definition is when some of the rules defining its elements are 
-recursive, i.e. they allow the formation of more elements of the type in terms of the already
-defined ones. The most typical case is provided by the natural numbers, that can be defined as 
-the smallest set generated by a constant 0 and a successor function from natural numbers to 
-natural numbers *)
+(* Most of the types we have seen so far are enumerated types, composed by a 
+finite set of alternatives, and records, composed by tuples of heteregoneous 
+elements. A more interesting case of type definition is when some of the rules 
+defining its elements are recursive, i.e. they allow the formation of more 
+elements of the type in terms of the already defined ones. The most typical case 
+is provided by the natural numbers, that can be defined as the smallest set 
+generated by a constant 0 and a successor function from natural numbers to natural
+numbers *)
 
 inductive nat : Type[0] ≝ 
 | O :nat
 | S: nat →nat.
 
-(* The two terms O and S are called constructors: they define the signature of the type, whose 
-objects are the elements freely generated by means of them. So, examples of natural numbers are 
-O, S O, S (S O), S (S (S O)) and so on. 
+(* The two terms O and S are called constructors: they define the signature of the
+type, whose objects are the elements freely generated by means of them. So, 
+examples of natural numbers are O, S O, S (S O), S (S (S O)) and so on. 
 
-The language of Matita allows the definition of well founded recursive functions over inductive 
-types; in order to guarantee termination of recursion you are only allowed to make recursive 
-calls on structurally smaller arguments than the ones you received in input. 
-Most mathematical functions can be naturally defined in this way. For instance, the sum of two 
-natural numbers can be defined as follows *)
+The language of Matita allows the definition of well founded recursive functions 
+over inductive types; in order to guarantee termination of recursion you are only 
+allowed to make recursive calls on structurally smaller arguments than the ones 
+you received in input. Most mathematical functions can be naturally defined in this
+way. For instance, the sum of two natural numbers can be defined as follows *)
 
 let rec add n m ≝ 
 match n with
@@ -28,15 +29,16 @@ match n with
 | S a ⇒ \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 (add a m)
 ].
 
-(* It is worth to observe that the previous algorithm works by recursion over the first 
-argument. This means that, for instance, (add O x) will reduce to x, as expected, but (add x O)
-is stuck. How can we prove that, for a generic x, (add x O) = x? The mathematical tool to do it 
-is called induction. The induction principle states that, given a property P(n) over natural 
-numbers, if we prove P(0) and prove that, for any m, P(m) implies P(S m), than we can conclude
-P(n) for any n. 
+(* It is worth to observe that the previous algorithm works by recursion over the
+first argument. This means that, for instance, (add O x) will reduce to x, as 
+expected, but (add x O) is stuck. 
+How can we prove that, for a generic x, (add x O) = x? The mathematical tool to do 
+it is called induction. The induction principle states that, given a property P(n) 
+over natural numbers, if we prove P(0) and prove that, for any m, P(m) implies P(S m), 
+than we can conclude P(n) for any n. 
 
-The elim tactic, allow you to apply induction in a very simple way. If your goal is P(n), the 
-invocation of
+The elim tactic, allow you to apply induction in a very simple way. If your goal is 
+P(n), the invocation of
   elim n
 will break down your task to prove the two subgoals P(0) and ∀m.P(m) → P(S m).
 
@@ -53,8 +55,8 @@ After normalization, both goals are trivial.
 
 normalize // qed.
 
-(* In a similar way, it is convenient to state a lemma about the behaviour of add when the 
-second argument is not zero. *)
+(* In a similar way, it is convenient to state a lemma about the behaviour of 
+add when the second argument is not zero. *)
 
 lemma add_S : ∀a,b. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/add.fix(0,0,1)"\ 6add\ 5/a\ 6 a (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 b) \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/add.fix(0,0,1)"\ 6add\ 5/a\ 6 a b).
 
@@ -71,8 +73,8 @@ theorem add_comm : ∀a,b. \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/add.fix(0,0,1)
 (* We have two sub goals:
   G1: ∀b. b = add b O
   G2: ∀x.(∀b. add x b = add b x) → ∀b. S (add x b) = add b (S x). 
-G1 is just our lemma add_O. For G2, we start introducing x and the induction hypothesis IH; 
-then, the goal is proved by rewriting using add_S and IH.
+G1 is just our lemma add_O. For G2, we start introducing x and the induction 
+hypothesis IH; then, the goal is proved by rewriting using add_S and IH.
 For Matita, the task is trivial and we can simply close the goal with // *)
 
 // qed.
@@ -94,9 +96,10 @@ definition nat_of_bool ≝ λb. match b with
 
 definition twice ≝ λn.\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/add.fix(0,0,1)"\ 6add\ 5/a\ 6 n n. 
 
-(* We are interested to prove that for any natural number n there exists a natural number m that 
-is the integer half of n. This will give us the opportunity to introduce new connectives and 
-quantifiers and, later on, to make some interesting consideration on proofs and computations. *)
+(* We are interested to prove that for any natural number n there exists a natural 
+number m that is the integer half of n. This will give us the opportunity to 
+introduce new connectives and quantifiers and, later on, to make some interesting 
+consideration on proofs and computations. *)
 
 theorem ex_half: ∀n.\ 5a title="exists" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\ 5/a\ 6m. n \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/twice.def(2)"\ 6twice\ 5/a\ 6 m \ 5a title="logical or" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\ 5/a\ 6 n \ 5a title="leibnitz's equality" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6=\ 5/a\ 6 \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/twice.def(2)"\ 6twice\ 5/a\ 6 m).
 #n elim n normalize 
@@ -104,26 +107,30 @@ theorem ex_half: ∀n.\ 5a title="exists" href="cic:/fakeuri.def(1)"\ 6\ 5/a\ 6m. n \ 5
 (* We proceed by induction on n, that breaks down to the following goals:
   G1: ∃m.O = add O O ∨ O = S (add m m)
   G2: ∀x.(∃m. x = add m m ∨ x = S (add m m))→ ∃m. S x = add m m ∨ S x = S (add m m)
-The only way we have to prove an existential goal is by exhibiting the witness, that in the case 
-of first goal is O. We do it by apply the term called ex_intro instantiated by the witness. 
-Then, it is clear that we must follow the left branch of the disjunction. One way to do it is by 
-applying the term or_introl, that is the first constructor of the disjunction. However, 
-remembering the names of constructors can be annyoing: we can invoke the application of the n-th
-constructor of an inductive type (inferred by the current goal) by typing %n. At this point 
-we are left with the subgoal O = add O O, that is closed by computation.
-It is worth to observe that invoking automation at depth /3/ would also automatically close G1.
+The only way we have to prove an existential goal is by exhibiting the witness, 
+that in the case of first goal is O. We do it by apply the term called ex_intro 
+instantiated by the witness. Then, it is clear that we must follow the left branch 
+of the disjunction. One way to do it is by applying the term or_introl, that is 
+the first constructor of the disjunction. However, remembering the names of 
+constructors can be annyoing: we can invoke the application of the n-th 
+constructor of an inductive type (inferred by the current goal) by typing %n. At 
+this point we are left with the subgoal O = add O O, that is closed by 
+computation. It is worth to observe that invoking automation at depth /3/ would 
+also automatically close G1.
 *)
   [@(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/ex.con(0,1,2)"\ 6ex_intro\ 5/a\ 6 … \ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,1,0)"\ 6O\ 5/a\ 6) %1 //
 
-(* The case of G2 is more complex. We should start introducing x and the inductive hypothesis
+(* The case of G2 is more complex. We should start introducing x and the 
+inductive hypothesis
      IH: ∃m. x = add m m ∨ x = S (add m m) 
-At this point we should assume the existence of m enjoying the inductive hypothesis. To 
-eliminate the existential from the context we can just use the case tactic. This situation where
-we introduce something into the context and immediately eliminate it by case analysis is so 
-frequent that Matita provides a convenient shorthand: you can just type a single "*". 
-The star symbol should be reminiscent of an explosion: the idea is that you have a structured
-hypothesis, and you ask to explode it into its constituents. In the case of the existential,
-it allows to pass from a goal of the shape 
+At this point we should assume the existence of m enjoying the inductive 
+hypothesis. To eliminate the existential from the context we can just use the case 
+tactic. This situation where we introduce something into the context and immediately 
+eliminate it by case analysis is so frequent that Matita provides a convenient 
+shorthand: you can just type a single "*". 
+The star symbol should be reminiscent of an explosion: the idea is that you have a 
+structured hypothesis, and you ask to explode it into its constituents. In the case 
+of the existential, it allows to pass from a goal of the shape 
     (∃x.P x) → Q
 to a goal of the shape
     ∀x.P x → Q
@@ -131,10 +138,10 @@ to a goal of the shape
   |#x *
 (* At this point we are left with a new goal with the following shape
   G3: ∀m. x = add m m ∨ x = S (add m m) → ....  
-We should introduce m, the hypothesis H: x = add m m ∨ x = S (add m m), and then reason by
-cases on this hypothesis. It is the same situation as before: we explode the disjunctiv
-hypothesis into its possible consituents. In the case of a disjunction, the * tactic allows
-to pass from a goal of the form
+We should introduce m, the hypothesis H: x = add m m ∨ x = S (add m m), and then 
+reason by cases on this hypothesis. It is the same situation as before: we explode th
+disjunctive hypothesis into its possible consituents. In the case of a disjunction, the 
+* tactic allows to pass from a goal of the form
     A∨B → Q
 to two subgoals of the form
     A → Q  and  B → Q
@@ -145,7 +152,7 @@ is hence m, and we have to prove the right branch of the disjunction.
 In the second subgoal, we are under the assumption that x = S (add m m). The halh of (S x)
 is hence (S m), and have to follow the left branch of the disjunction.
 *)
-  [@(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/ex.con(0,1,2)"\ 6ex_intro\ 5/a\ 6 … m) /2/ | @(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/ex.con(0,1,2)"\ 6ex_intro\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 m)) normalize /2/
+  [@(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/ex.con(0,1,2)"\ 6ex_intro\ 5/a\ 6 … m) /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,2,2)"\ 6or_intror\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/ | @(\ 5a href="cic:/matita/basics/logic/ex.con(0,1,2)"\ 6ex_intro\ 5/a\ 6 … (\ 5a href="cic:/matita/tutorial/chapter2/nat.con(0,2,0)"\ 6S\ 5/a\ 6 m)) normalize /\ 5span class="autotactic"\ 62\ 5span class="autotrace"\ 6 trace \ 5a href="cic:/matita/basics/logic/Or.con(0,1,2)"\ 6or_introl\ 5/a\ 6\ 5/span\ 6\ 5/span\ 6/
   ]
 qed.