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added first draft for patterns
[helm.git] / helm / papers / matita / matita.tex
1 \documentclass[a4paper]{llncs}
2 \pagestyle{headings}
3 \usepackage{color}
4 \usepackage{graphicx}
5 \usepackage{amssymb,amsmath}
6 \usepackage{hyperref}
7 \usepackage{picins}
8 \usepackage{color}
9 \usepackage{fancyvrb}
10
11 \definecolor{gray}{gray}{0.85}
12 %\newcommand{\logo}[3]{
13 %\parpic(0cm,0cm)(#2,#3)[l]{\includegraphics[width=#1]{whelp-bw}}
14 %}
15
16 \newcommand{\AUTO}{\textsc{Auto}}
17 \newcommand{\COQ}{Coq}
18 \newcommand{\ELIM}{\textsc{Elim}}
19 \newcommand{\HELM}{Helm}
20 \newcommand{\HINT}{\textsc{Hint}}
21 \newcommand{\IN}{\ensuremath{\mathbb{N}}}
22 \newcommand{\INSTANCE}{\textsc{Instance}}
23 \newcommand{\IR}{\ensuremath{\mathbb{R}}}
24 \newcommand{\IZ}{\ensuremath{\mathbb{Z}}}
25 \newcommand{\LIBXSLT}{LibXSLT}
26 \newcommand{\LOCATE}{\textsc{Locate}}
27 \newcommand{\MATCH}{\textsc{Match}}
28 \newcommand{\MATITA}{Matita}
29 \newcommand{\METAHEADING}{Symbol & Position \\ \hline\hline}
30 \newcommand{\MOWGLI}{MoWGLI}
31 \newcommand{\NAT}{\ensuremath{\mathit{nat}}}
32 \newcommand{\NATIND}{\mathit{nat\_ind}}
33 \newcommand{\NUPRL}{NuPRL}
34 \newcommand{\OCAML}{OCaml}
35 \newcommand{\PROP}{\mathit{Prop}}
36 \newcommand{\REF}[3]{\ensuremath{\mathit{Ref}_{#1}(#2,#3)}}
37 \newcommand{\TEXMACRO}[1]{\texttt{\char92 #1}}
38 \newcommand{\UWOBO}{UWOBO}
39 \newcommand{\WHELP}{Whelp}
40
41 \definecolor{gray}{gray}{0.85} % 1 -> white; 0 -> black
42 \newcommand{\NT}[1]{\langle\mathit{#1}\rangle}
43 \newcommand{\URI}[1]{\texttt{#1}}
44
45 %{\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxrule}{.5mm}\setlength{\fboxsep}{2mm}%
46 \newenvironment{grafite}{\VerbatimEnvironment
47  \begin{SaveVerbatim}{boxtmp}}%
48  {\end{SaveVerbatim}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
49   \begin{center}
50    \fcolorbox{black}{gray}{\BUseVerbatim[boxwidth=0.9\linewidth]{boxtmp}}
51   \end{center}}
52
53 \newcommand{\ASSIGNEDTO}[1]{\textbf{Assigned to:} #1}
54 \newcommand{\FILE}[1]{\texttt{#1}}
55 \newcommand{\NOTE}[1]{\marginpar{\scriptsize #1}}
56 \newcommand{\TODO}[1]{\textbf{TODO: #1}}
57
58 \newsavebox{\tmpxyz}
59 \newcommand{\sequent}[2]{
60   \savebox{\tmpxyz}[0.9\linewidth]{
61     \begin{minipage}{0.9\linewidth}
62       \ensuremath{#1} \\
63       --------------------------\\ % come si fa una linea orizzontale?
64       \ensuremath{#2}
65     \end{minipage}}\setlength{\fboxsep}{3mm}%
66   \begin{center}
67    \fcolorbox{black}{gray}{\usebox{\tmpxyz}}
68   \end{center}}
69
70 \title{The Matita proof assistant}
71 \author{Andrea Asperti, Claudio Sacerdoti Coen, Enrico Tassi
72  and Stefano Zacchiroli}
73 \institute{Department of Computer Science, University of Bologna\\
74  Mura Anteo Zamboni, 7 --- 40127 Bologna, ITALY\\
75  \email{$\{$asperti,sacerdot,tassi,zacchiro$\}$@cs.unibo.it}}
76 \bibliographystyle{plain}
77
78 \begin{document}
79 \maketitle
80
81 \begin{abstract}
82 \end{abstract}
83
84 \section{Introduction}
85 \label{sec:intro}
86 {\em Matita} is the proof assistant under development by the \HELM{} team
87 \cite{mkm-helm} at the University of Bologna, under the direction of 
88 Prof.~Asperti. 
89 The origin of the system goes back to 1999. At the time we were mostly 
90 interested to develop tools and techniques to enhance the accessibility
91 via web of formal libraries of mathematics. Due to its dimension, the
92 library of the \COQ{} proof assistant (of the order of 35'000 theorems) 
93 was choosed as a privileged test bench for our work, although experiments
94 have been also conducted with other systems, and notably with \NUPRL{}.
95 The work, mostly performed in the framework of the recently concluded 
96 European project IST-33562 \MOWGLI{}~\cite{pechino}, mainly consisted in the 
97 following teps:
98 \begin{itemize}
99 \item exporting the information from the internal representation of
100  \COQ{} to a system and platform independent format. Since XML was at the 
101 time an emerging standard, we naturally adopted this technology, fostering
102 a content-based architecture for future system, where the documents
103 of the library were the the main components around which everything else 
104 has to be build;
105 \item developing indexing and searching techniques supporting semantic
106  queries to the library; these efforts gave birth to our \WHELP{}
107 search engine, described in~\cite{whelp};
108 \item developing languages and tools for a high-quality notational 
109 rendering of mathematical information; in particular, we have been 
110 active in the MathML Working group since 1999, and developed inside
111 \HELM{} a MathML-compliant widget for the GTK graphical environment
112 which can be integrated in any application.
113 \end{itemize}
114 The exportation issue, extensively discussed in \cite{exportation-module},
115 has several major implications worth to be discussed. 
116
117 The first
118 point concerns the kind of content information to be exported. In a
119 proof assistant like \COQ{}, proofs are represented in at least three clearly
120 distinguishable formats: \emph{scripts} (i.e. sequences of commands issued by the
121 user to the system during an interactive session of proof), \emph{proof objects}
122 (which is the low-level representation of proofs in the form of
123 lambda-terms readable to and checked by kernel) and \emph{proof-trees} (which
124 is a kind of intermediate representation, vaguely inspired by a sequent
125 like notation, that inherits most of the defects but essentially
126 none of the advantages of the previous representations). 
127 Partially related to this problem, there is the
128 issue of the {\em granularity} of the library: scripts usually comprise
129 small developments with many definitions and theorems, while 
130 proof objects correspond to individual mathematical items. 
131
132 In our case, the choice of the content encoding was eventually dictated
133 by the methodological assumption of offering the information in a
134 stable and system-independent format. The language of scripts is too
135 oriented to \COQ, and it changes too rapidly to be of any interest
136 to third parties. On the other side, the language of proof objects 
137 merely depend on
138 the logical framework (the Calculus of Inductive Constructions, in
139 the case of \COQ), is grammatically simple, semantically clear and, 
140 especially, is very stable (as kernels of proof assistants 
141 often are). 
142 So the granularity of the library is at the level of individual 
143 objects, that also justifies from another point of view the need
144 for efficient searching techniques for retrieving individual 
145 logical items from the repository. 
146
147 The main (possibly only) problem with proof objects is that they are
148 difficult to read and do not directly correspond to what the user typed
149 in. An analogy frequently made in the proof assistant community is that of
150 comparing the vernacular language of scripts to a high level source language
151 and lambda terms to the assembly language they are compiled in. We do not
152 share this view and prefer to look at scripts as an imperative language, 
153 and to lambda terms as their denotational semantics; still, however,
154 denotational semantics is possibly more formal but surely not more readable 
155 than the imperative source.
156
157 For all the previous reasons, a huge amount of work inside \MOWGLI{} has
158 been devoted to automatic reconstruction of proofs in natural language
159 from lambda terms. Since lambda terms are in close connection 
160 with natural deduction 
161 (that is still the most natural logical language discovered so far)
162 the work is not hopeless as it may seem, especially if rendering
163 is combined, as in our case, with dynamic features supporting 
164 in-line expansions or contractions of subproofs. The final 
165 rendering is probably not entirely satisfactory (see \cite{ida} for a
166 discussion), but surely
167 readable (the actual quality largely depends by the way the lambda 
168 term is written). 
169
170 Summing up, we already disposed of the following tools/techniques:
171 \begin{itemize}
172 \item XML specifications for the Calculus of Inductive Constructions,
173 with tools for parsing and saving mathematical objects in such a format;
174 \item metadata specifications and tools for indexing and querying the
175 XML knowledge base;
176 \item a proof checker (i.e. the {\em kernel} of a proof assistant), 
177  implemented to check that we exported form the \COQ{} library all the 
178 logically relevant content;
179 \item a sophisticated parser (used by the search engine), able to deal 
180 with potentially ambiguous and incomplete information, typical of the 
181 mathematical notation \cite{};
182 \item a {\em refiner}, i.e. a type inference system, based on complex 
183 existential variables, used by the disambiguating parser;
184 \item complex transformation algorithms for proof rendering in natural
185 language;
186 \item an innovative rendering widget, supporting high-quality bidimensional
187 rendering, and semantic selection, i.e. the possibility to select semantically
188 meaningful rendering expressions, and to past the respective content into
189 a different text area.
190 \NOTE{il widget\\ non ha sel\\ semantica}
191 \end{itemize}
192 Starting from all this, the further step of developing our own 
193 proof assistant was too
194 small and too tempting to be neglected. Essentially, we ``just'' had to
195 add an authoring interface, and a set of functionalities for the
196 overall management of the library, integrating everything into a
197 single system. \MATITA{} is the result of this effort. 
198
199 At first sight, \MATITA{} looks as (and partly is) a \COQ{} clone. This is
200 more the effect of the circumstances of its creation described 
201 above than the result of a deliberate design. In particular, we
202 (essentially) share the same foundational dialect of \COQ{} (the
203 Calculus of Inductive Constructions), the same implementative
204 language (\OCAML{}), and the same (script based) authoring philosophy.
205 However, as we shall see, the analogy essentially stops here. 
206
207 In a sense; we like to think of \MATITA{} as the way \COQ{} would 
208 look like if entirely rewritten from scratch: just to give an
209 idea, although \MATITA{} currently supports almost all functionalities of
210 \COQ{}, it links 60'000 lins of \OCAML{} code, against ... of \COQ{} (and
211 we are convinced that, starting from scratch again, we could furtherly
212 reduce our code in sensible way).\NOTE{righe\\\COQ{}}
213
214 \begin{itemize}
215  \item scelta del sistema fondazionale
216  \item sistema indipendente (da Coq)
217   \begin{itemize}
218    \item possibilit\`a di sperimentare (soluzioni architetturali, logiche,
219     implementative, \dots)
220    \item compatibilit\`a con sistemi legacy
221   \end{itemize}
222 \end{itemize}
223
224 \section{Features}
225
226 \subsection{mathml}
227 \ASSIGNEDTO{zack}
228
229 \subsection{metavariabili}
230 \label{sec:metavariables}
231 \ASSIGNEDTO{csc}
232
233 \subsection{pattern}
234 \ASSIGNEDTO{gares}\\
235 Patterns are the textual counterpart of the MathML widget graphical
236 selection.
237
238 Matita benefits of a graphical interface and a powerful MathML rendering
239 widget that allows the user to select pieces of the sequent he is working
240 on. While this is an extremely intuitive way for the user to
241 restrict the application of a tactic, for example, to some subterms of the
242 conclusion or some hypothesis, the way this action is recorded to the text
243 script is not obvious.\\
244 In \MATITA{} this issue is addressed by patterns.
245
246 \subsubsection{Pattern syntax}
247 A pattern is composed of two terms: a $\NT{sequent\_path}$ and a
248 $\NT{wanted}$.
249 The former mocks-up a sequent, replacing unwanted subterms with $?$ and
250 selecting the interesting parts with the placeholder $\%$. 
251 The latter is a term that lives in the context of the placeholders.
252
253 The concrete syntax is reported in table \ref{tab:pathsyn}
254 \NOTE{uso nomi diversi \\dalla grammatica \\ ma che hanno + senso}
255 \begin{table}
256  \caption{\label{tab:pathsyn} Concrete syntax of \MATITA{} patterns.\strut}
257 \hrule
258 \[
259 \begin{array}{@{}rcll@{}}
260   \NT{pattern} & 
261     ::= & [~\verb+in match+~\NT{wanted}~]~[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~] & \\
262   \NT{sequent\_path} & 
263     ::= & \{~\NT{ident}~[~\verb+:+~\NT{multipath}~]~\}~
264       [~\verb+\vdash+~\NT{multipath}~] & \\
265   \NT{wanted} & ::= & \NT{term} & \\
266   \NT{multipath} & ::= & \NT{term\_with\_placeholders} & \\
267 \end{array}
268 \]
269 \hrule
270 \end{table}
271
272 \subsubsection{How patterns work}
273 Patterns mimic the user's selection in two steps. The first one
274 selects roots (subterms) of the sequent, using the
275 $\NT{sequent\_path}$,  while the second 
276 one searches the $\NT{wanted}$ term starting from these roots. Both are
277 optional steps, and by convention the empty pattern selects the whole
278 goal.
279
280 \begin{description}
281 \item[Phase 1]
282   concerns only the $[~\verb+in+~\NT{sequent\_path}~]$
283   part of the syntax. $\NT{ident}$ is an hypothesis name and
284   selects the assumption where the following optional $\NT{multipath}$
285   will operate. \verb+\vdash+ can be considered the name for the goal.
286   If the whole pattern is omitted, the whole goal will be selected.
287   If one or more hypotheses names are given the selection is restricted to 
288   these assumptions. If a $\NT{multipath}$ is omitted the whole
289   assumption is selected. Remember that the user can be mostly
290   unaware of this syntax, since the system is able to write down a 
291   $\NT{sequent\_path}$ starting from a visual selection.
292   \NOTE{Questo ancora non va\\in matita}
293
294   A $\NT{multipath}$ is a CiC term in which a special constant $\%$
295   is allowed.
296   The roots of discharged subterms are marked with $?$, while $\%$
297   is used to select roots. The default $\NT{multipath}$, the one that
298   selects the whole term, is simply $\%$.
299   Valid $\NT{multipath}$ are, for example, $(?~\%~?)$ or $\%~\verb+\to+~(\%~?)$
300   that respectively select the first argument of an application or
301   the source of an arrow and the head of the application that is
302   found in the arrow target.
303
304   The first phase selects not only terms (roots of subterms) but also 
305   their context that will be eventually used in the second phase.
306
307 \item[Phase 2] 
308   plays a role only if the $[~\verb+in match+~\NT{wanted}~]$
309   part is specified. From the first phase we have some terms, that we
310   will see as subterm roots, and their context. For each of these
311   contexts the $\NT{wanted}$ term is disambiguated in it and the
312   corresponding root is searched for a subterm $\alpha$-equivalent to
313   $\NT{wanted}$. The result of this search is the selection the
314   pattern represents.
315
316 \end{description}
317
318 \noindent
319 Since the first step is equipotent to the composition of the two
320 steps, the system uses it to represent each visual selection.
321 The second step is only meant for the
322 experienced user that writes patterns by hand, since it really
323 helps in writing concise patterns as we will see in the
324 following examples.
325
326 \subsubsection{Examples}
327 To explain how the first step works let's give an example. Consider
328 you want to prove the uniqueness of the identity element $0$ for natural
329 sum, and that you can relay on the previously demonstrated left
330 injectivity of the sum, that is $inj\_plus\_l:\forall x,y,z.x+y=z+y \to x =z$.
331 Typing
332 \begin{grafite}
333 theorem valid_name: \forall n,m. m + n = n \to m = O.
334   intros (n m H).
335 \end{grafite}
336 \noindent
337 leads you to the following sequent 
338 \sequent{
339 n:nat\\
340 m:nat\\
341 H: m + n = n}{
342 m=O
343 }
344 \noindent
345 where you want to change the right part of the equivalence of the $H$
346 hypothesis with $O + n$ and then use $inj\_plus\_l$ to prove $m=O$.
347 \begin{grafite}
348   change in H:(? ? ? %) with (O + n).
349 \end{grafite}
350 \noindent
351 This pattern, that is a simple instance of the $\NT{sequent\_path}$
352 grammar entry, acts on $H$ that has type (without notation) 
353 $(eq~nat~(m+n)~n)$ and discharges the head of the application and the
354 first two arguments with a $?$ and selects the last argument with
355 $\%$. The syntax may seem uncomfortable, but the user can simply
356 select with the mouse the right part of the equivalence and left to the
357 system the burden of writing down in the script file the corresponding 
358 pattern with $?$ and $\%$ in the right place (expecially where implicit
359 arguments are hidden by the notation, like the type $nat$ in this
360 example).
361
362 Changing all the occurrences of $n$ in the hypothesis $H$ with $O+n$ 
363 works too and can be done, by the experienced user, writing directly
364 a simpler pattern that uses the second phase.
365 \begin{grafite}
366   change in match n in H with (O + n).
367 \end{grafite}
368 \noindent
369 In this case the $\NT{sequent\_path}$ selects the whole $H$, while
370 the second phase searches the wanted $n$ inside it by
371 $\alpha$-equivalence. The resulting
372 equivalence will be $m+(O+n)=O+n$ since the second phase found two
373 occurrences of $n$ in $H$ and the tactic changed both.
374
375 Just for completeness the second pattern is equivalent to the
376 following one, that is less readable but uses only the first phase.
377 \begin{grafite}
378   change in H:(? ? (? ? %) %) with (O + n).
379 \end{grafite}
380 \noindent
381
382 \subsubsection{Tactics supporting patterns}
383 In \MATITA{} the following tactics can be restricted to subterms of
384 the working sequent: simplify, change, fold, unfold, generalize, replace and
385 rewrite.
386 \NOTE{attualmente rewrite e \\ fold non supportano \\ phase 2. per
387 supportarlo\\bisogna far loro trasformare\\il pattern phase1+phase2\\
388 in un pattern phase1only\\come faccio nell'ultimo esempio.\\lo si fa
389 con una pattern\_of(select(pattern))}
390
391 \subsubsection{Comparison with Coq}
392 Coq has a two diffrent ways of restricting the application of tactis to
393 subterms of the sequent, both relaying on the same special syntax to identify
394 a term occurrence.
395
396 The first way is to use this special syntax to specify directly to the
397 tactic the occurrnces of a wanted term that should be affected, while
398 the second is to prepare the sequent with another tactic called
399 pattern and the apply the real tactic. Note that the choice is not
400 left to the user, since some tactics needs the sequent to be prepared
401 with pattern and do not accept directly this special syntax.
402
403 The base idea is that to identify a subterm of the sequent we can
404 write it and say that we want, for example, the third and the fifth
405 occurce of it (counting from left to right). In our previous example,
406 to change only the left part of the equivalence, the correct command
407 is
408 \begin{grafite}
409   change n at 2 in H with (O + H)
410 \end{grafite} 
411 \noindent
412 meaning that in the hypothesis $H$ the $n$ we want to change is the
413 second we encounter proceeding from left toright.
414
415 The tactic pattern computes a
416 $\beta$-expansion of a part of the sequent with respect to some
417 occurrences of the given term. In the previous example the following
418 command
419 \begin{grafite}
420   pattern n at 2 in H
421 \end{grafite}
422 \noindent
423 would have resulted in this sequent
424 \begin{grafite}
425   n : nat
426   m : nat
427   H : (fun n0 : nat => m + n = n0) n
428   ============================
429    m = 0
430 \end{grafite}
431 \noindent
432 where $H$ is $\beta$-expanded over the second $n$
433 occurrence. This is a trick to make the unification algorithm ignore
434 the head of the application (since the unification is essentially
435 first-order) but normally operate on the arguments. 
436 This works for some tactics, like rewrite and replace,
437 but for example not for change and other tactics that do not relay on
438 unification. 
439
440 The idea behind this way of identifying subterms in not really far
441 from the idea behind patterns patterns, but really fails in help using
442 complex notation, since it relays on the way the user sees the
443 sequent.  Notation can swap arguments, or place them upside-down or
444 even put them inside a bidimensional matrix.  In these cases using the
445 mouse to select the wanted term is probably the only way to tell the
446 system exactly what you want to do. 
447
448 One of the goals of \MATITA{} is to use modern publishing techiques, and
449 adopting a method for restricting tactics application domain that discourages 
450 using heavy math notation, would definitively be a bad choice.
451
452 \subsection{tatticali}
453 \ASSIGNEDTO{gares}
454
455 \subsection{Disambiguation}
456 \label{sec:disambiguation}
457 \ASSIGNEDTO{zack}
458
459 \begin{table}
460  \caption{\label{tab:termsyn} Concrete syntax of CIC terms: built-in
461  notation\strut}
462 \hrule
463 \[
464 \begin{array}{@{}rcll@{}}
465   \NT{term} & ::= & & \mbox{\bf terms} \\
466     &     & x & \mbox{(identifier)} \\
467     &  |  & n & \mbox{(number)} \\
468     &  |  & s & \mbox{(symbol)} \\
469     &  |  & \mathrm{URI} & \mbox{(URI)} \\
470     &  |  & \verb+_+ & \mbox{(implicit)}\TODO{sync} \\
471     &  |  & \verb+?+n~[\verb+[+~\{\NT{subst}\}~\verb+]+] & \mbox{(meta)} \\
472     &  |  & \verb+let+~\NT{ptname}~\verb+\def+~\NT{term}~\verb+in+~\NT{term} \\
473     &  |  & \verb+let+~\NT{kind}~\NT{defs}~\verb+in+~\NT{term} \\
474     &  |  & \NT{binder}~\{\NT{ptnames}\}^{+}~\verb+.+~\NT{term} \\
475     &  |  & \NT{term}~\NT{term} & \mbox{(application)} \\
476     &  |  & \verb+Prop+ \mid \verb+Set+ \mid \verb+Type+ \mid \verb+CProp+ & \mbox{(sort)} \\
477     &  |  & \verb+match+~\NT{term}~ & \mbox{(pattern matching)} \\
478     &     & ~ ~ [\verb+[+~\verb+in+~x~\verb+]+]
479               ~ [\verb+[+~\verb+return+~\NT{term}~\verb+]+] \\
480     &     & ~ ~ \verb+with [+~[\NT{rule}~\{\verb+|+~\NT{rule}\}]~\verb+]+ & \\
481     &  |  & \verb+(+~\NT{term}~\verb+:+~\NT{term}~\verb+)+ & \mbox{(cast)} \\
482     &  |  & \verb+(+~\NT{term}~\verb+)+ \\
483   \NT{defs}  & ::= & & \mbox{\bf mutual definitions} \\
484     &     & \NT{fun}~\{\verb+and+~\NT{fun}\} \\
485   \NT{fun} & ::= & & \mbox{\bf functions} \\
486     &     & \NT{arg}~\{\NT{ptnames}\}^{+}~[\verb+on+~x]~\verb+\def+~\NT{term} \\
487   \NT{binder} & ::= & & \mbox{\bf binders} \\
488     &     & \verb+\forall+ \mid \verb+\lambda+ \\
489   \NT{arg} & ::= & & \mbox{\bf single argument} \\
490     &     & \verb+_+ \mid x \\
491   \NT{ptname} & ::= & & \mbox{\bf possibly typed name} \\
492     &     & \NT{arg} \\
493     &  |  & \verb+(+~\NT{arg}~\verb+:+~\NT{term}~\verb+)+ \\
494   \NT{ptnames} & ::= & & \mbox{\bf bound variables} \\
495     &     & \NT{arg} \\
496     &  |  & \verb+(+~\NT{arg}~\{\verb+,+~\NT{arg}\}~[\verb+:+~\NT{term}]~\verb+)+ \\
497   \NT{kind} & ::= & & \mbox{\bf induction kind} \\
498     &     & \verb+rec+ \mid \verb+corec+ \\
499   \NT{rule} & ::= & & \mbox{\bf rules} \\
500     &     & x~\{\NT{ptname}\}~\verb+\Rightarrow+~\NT{term}
501 \end{array}
502 \]
503 \hrule
504 \end{table}
505
506 \subsubsection{Term input}
507
508 The primary form of user interaction employed by \MATITA{} is textual script
509 editing: the user modifies it and evaluate step by step its composing
510 \emph{statements}. Examples of statements are inductive type definitions,
511 theorem declarations, LCF-style tacticals, and macros (e.g. \texttt{Check} can
512 be used to ask the system to refine a given term and pretty print the result).
513 Since many statements refer to terms of the underlying calculus, \MATITA{} needs
514 a concrete syntax able to encode terms of the Calculus of Inductive
515 Constructions.
516
517 Two of the requirements in the design of such a syntax are apparently in
518 contrast:
519 \begin{enumerate}
520  \item the syntax should be as close as possible to common mathematical practice
521   and implement widespread mathematical notations;
522  \item each term described by the syntax should be non-ambiguous meaning that it
523   should exists a function which associates to it a CIC term.
524 \end{enumerate}
525
526 These two requirements are addressed in \MATITA{} by the mean of two mechanisms
527 which work together: \emph{term disambiguation} and \emph{extensible notation}.
528 Their interaction is visible in the architecture of the \MATITA{} input phase,
529 depicted in Fig.~\ref{fig:inputphase}. The architecture is articulated as a
530 pipline of three levels: the concrete syntax level (level 0) is the one the user
531 has to deal with when inserting CIC terms; the abstract syntax level (level 2)
532 is an internal representation which intuitively encodes mathematical formulae at
533 the content level~\cite{adams}\cite{mkm-structure}; the last level is that of
534 CIC terms.
535
536 \begin{figure}[ht]
537  \begin{center}
538   \includegraphics[width=0.9\textwidth]{input_phase}
539   \caption{\MATITA{} input phase}
540  \end{center}
541  \label{fig:inputphase}
542 \end{figure}
543
544 Requirement (1) is addressed by a built-in concrete syntax for terms, described
545 in Tab.~\ref{tab:termsyn}, and the extensible notation mechanisms which offers a
546 way for extending available mathematical notations. Extensible notation, which
547 is also in charge of providing a parsing function mapping concrete syntax terms
548 to content level terms, is described in Sect.~\ref{sec:notation}.  Requirement
549 (2) is addressed by the conjunct action of that parsing function and
550 disambiguation which provides a function from content level terms to CIC terms.
551
552 \subsubsection{Sources of ambiguity}
553
554 The translation from content level terms to CIC terms is not straightforward
555 because some nodes of the content encoding admit more that one CIC encoding,
556 invalidating requirement (2).
557
558 \begin{example}
559  \label{ex:disambiguation}
560
561  Consider the term at the concrete syntax level \texttt{\TEXMACRO{forall} x. x +
562  ln 1 = x} of Fig.~\ref{fig:inputphase}(a), it can be the type of a lemma the
563  user may want to prove. Assuming that both \texttt{+} and \texttt{=} are parsed
564  as infix operators, all the following questions are legitimate and must be
565  answered before obtaining a CIC term from its content level encoding
566  (Fig.~\ref{fig:inputphase}(b)):
567
568  \begin{enumerate}
569
570   \item Since \texttt{ln} is an unbound identifier, which CIC constants does it
571    represent? Many different theorems in the library may share its (rather
572    short) name \dots
573
574   \item Which kind of number (\IN, \IR, \dots) the \texttt{1} literal stand for?
575    Which encoding is used in CIC to represent it? E.g., assuming $1\in\IN$, is
576    it an unary or a binary encoding?
577
578   \item Which kind of equality the ``='' node represents? Is it Leibniz's
579    polymorhpic equality? Is it a decidable equality over \IN, \IR, \dots?
580
581  \end{enumerate}
582
583 \end{example}
584
585 In \MATITA, three \emph{sources of ambiguity} are admitted for content level
586 terms: unbound identifiers, literal numbers, and operators. Each instance of
587 ambiguity sources (ambiguous entity) occuring in a content level term is
588 associated to a \emph{disambiguation domain}. Intuitively a disambiguation
589 domain is a set of CIC terms which may be replaced for an ambiguous entity
590 during disambiguation. Each item of the domain is said to be an
591 \emph{interpretation} for the ambiguous entity.
592
593 \emph{Unbound identifiers} (question 1) are ambiguous entities since the
594 namespace of CIC objects is not flat and the same identifier may denote many
595 ofthem. For example the short name \texttt{plus\_assoc} in the \HELM{} library
596 is shared by three different theorems stating the associative property of
597 different additions.  This kind of ambiguity is avoidable if the user is willing
598 to use long names (in form of URIs in the \texttt{cic://} scheme) in the
599 concrete syntax, with the obvious drawbacks of obtaining long and unreadable
600 terms.
601
602 Given an unbound identifier, the corresponding disambiguation domain is computed
603 querying the library for all constants, inductive types, and inductive type
604 constructors having it as their short name (see the \LOCATE{} query in
605 Sect.~\ref{sec:metadata}).
606
607 \emph{Literal numbers} (question 2) are ambiguous entities as well since
608 different kinds of numbers can be encoded in CIC (\IN, \IR, \IZ, \dots) using
609 different encodings. Considering the restricted example of natural numbers we
610 can for instance encode them in CIC using inductive datatypes with a number of
611 constructor equal to the encoding base plus 1, obtaining one encoding for each
612 base.
613
614 For each possible way of mapping a literal number to a CIC term, \MATITA{} is
615 aware of a \emph{number intepretation function} which, when applied to the
616 natural number denoted by the literal\footnote{at the moment only literal
617 natural number are supported in the concrete syntax} returns a corresponding CIC
618 term. The disambiguation domain for a given literal number is built applying to
619 the literal all available number interpretation functions in turn.
620
621 Number interpretation functions can be defined in OCaml or directly using
622 \TODO{notazione per i numeri}.
623
624 \emph{Operators} (question 3) are intuitively head of applications, as such they
625 are always applied to a non empty sequence of arguments. Their ambiguity is a
626 need since it is often the case that some notation is used in an overloaded
627 fashion to hide the use of different CIC constants which encodes similar
628 concepts. For example, in the standard library of \MATITA{} the infix \texttt{+}
629 notation is available building a binary \texttt{Op(+)} node, whose
630 disambiguation domain may refer to different constants like the addition over
631 natural numbers \URI{cic:/matita/nat/plus/plus.con} or that over real numbers of
632 the \COQ{} standard library \URI{cic:/Coq/Reals/Rdefinitions/Rplus.con}.
633
634 For each possible way of mapping an operator application to a CIC term,
635 \MATITA{} knows an \emph{operator interpretation function} which, when applied
636 to an operator and its arguments, returns a CIC term. The disambiguation domain
637 for a given operator is built applying to the operator and its arguments all
638 available operator interpretation functions in turn.
639
640 Operator interpretation functions could be added using the
641 \texttt{interpretation} statement. For example, among the first line of the
642 script \FILE{matita/library/logic/equality.ma} from the \MATITA{} standard
643 library we read:
644
645 \begin{grafite}
646 interpretation "leibnitz's equality"
647  'eq x y =
648    (cic:/matita/logic/equality/eq.ind#xpointer(1/1) _ x y).
649 \end{grafite}
650
651 Evaluating it in \MATITA{} will add an operator interpretation function for the
652 binary operator \texttt{eq} which expands to the CIC term on the right hand side
653 of the statement. That CIC term can be written using only built-in concrete
654 syntax, can contain no ambiguity source; still, it can refer to operator
655 arguments bound on the left hand side and can contain implicit terms (denoted
656 with \texttt{\_}) which will be expanded to fresh metavariables. The latter
657 feature is used in the example above for the first argument of Leibniz's
658 polymorhpic equality.
659
660 \subsubsection{Disambiguation algorithm}
661
662 \NOTE{assumo\\
663       che si sia\\
664       gia' parlato\\
665       di refine}
666
667
668 A \emph{disambiguation algorithm} takes as input a content level term and return
669 a fully determined CIC term. The key observation on which a disambiguation
670 algorithm is based is that given a content level term with more than one sources
671 of ambiguity, not all possible combination of interpretation lead to a typable
672 CIC term. In the term of Ex.~\ref{ex:disambiguation} for instance the
673 interpretation of \texttt{ln} as a function from \IR to \IR and the
674 interpretation of \texttt{1} as the Peano number $1$ can't coexists. The notion
675 of ``can't coexists'' in the disambiguation of \MATITA{} is inherited from the
676 refiner described in Sect.~\ref{sec:metavariables}: as long as
677 $\mathit{refine}(c)\neq\bot$, the combination of interpretation which led to $c$
678 can coexists.
679
680 The \emph{naive disambiguation algorithm} takes as input a content level term
681 $t$ and proceeds as follows:
682
683 \begin{enumerate}
684
685  \item Create disambiguation domains $\{D_i | i\in\mathit{Dom}(t)\}$, where
686   $\mathit{Dom}(t)$ is the set of ambiguity sources of $t$. Each $D_i$ is a set
687   of CIC terms and can be built as described above.
688
689  \item Let $\Phi = \{\phi_i | {i\in\mathit{Dom}(t)},\phi_i\in D_i\}$ be an
690   interpretation for $t$. Given $t$ and an interpretation $\Phi$, a CIC term is
691   fully determined. Iterate over all possible interpretations of $t$ and refine
692   the corresponding CIC terms, keep only interpretations which lead to CIC terms
693   $c$ s.t. $\mathit{refine}(c)\neq\bot$ (i.e. interpretations that determine
694   typable terms).
695
696  \item Let $n$ be the number of interpretations who survived step 2. If $n=0$
697   signal a type error. If $n=1$ we have found exactly one CIC term corresponding
698   to $t$, returns it as output of the disambiguation phase. If $n>1$ we have
699   found many different CIC terms which can correspond to the content level term,
700   let the user choose one of the $n$ interpretations and returns the
701   corresponding term.
702
703 \end{enumerate}
704
705 The above algorithm is highly inefficient since the number of possible
706 interpretations $\Phi$ grows exponentially with the number of ambiguity sources.
707 The actual algorithm used in \MATITA{} is far more efficient being, in the
708 average case, linear in the number of ambiguity sources.
709
710 \TODO{FINQUI}
711
712 The efficient algorithm can be applied if the logic can be extended with
713 metavariables and a refiner can be implemented. This is the case for CIC and
714 several other logics.
715 \emph{Metavariables}~\cite{munoz} are typed, non linear placeholders that can
716 occur in terms; $?_i$ usually denotes the $i$-th metavariable, while $?$ denotes
717 a freshly created metavariable. A \emph{refiner}~\cite{McBride} is a
718 function whose input is a term with placeholders and whose output is either a
719 new term obtained instantiating some placeholder or $\epsilon$, meaning that no
720 well typed instantiation could be found for the placeholders occurring in
721 the term (type error).
722
723 The efficient algorithm starts with an interpretation $\Phi_0 = \{\phi_i |
724 \phi_i = ?, i\in\mathit{Dom}(t)\}$,
725 which associates a fresh metavariable to each
726 source of ambiguity. Then it iterates refining the current CIC term (i.e. the
727 term obtained interpreting $t$ with $\Phi_i$). If the refinement succeeds the
728 next interpretation $\Phi_{i+1}$ will be created \emph{making a choice}, that is
729 replacing a placeholder with one of the possible choice from the corresponding
730 disambiguation domain. The placeholder to be replaced is chosen following a
731 preorder visit of the ambiguous term. If the refinement fails the current set of
732 choices cannot lead to a well-typed term and backtracking is attempted.
733 Once an unambiguous correct interpretation is found (i.e. $\Phi_i$ does no
734 longer contain any placeholder), backtracking is attempted
735 anyway to find the other correct interpretations.
736
737 The intuition which explain why this algorithm is more efficient is that as soon
738 as a term containing placeholders is not typable, no further instantiation of
739 its placeholders could lead to a typable term. For example, during the
740 disambiguation of user input \texttt{\TEXMACRO{forall} x. x*0 = 0}, an
741 interpretation $\Phi_i$ is encountered which associates $?$ to the instance
742 of \texttt{0} on the right, the real number $0$ to the instance of \texttt{0} on
743 the left, and the multiplication over natural numbers (\texttt{mult} for short)
744 to \texttt{*}. The refiner will fail, since \texttt{mult} require a natural
745 argument, and no further instantiation of the placeholder will be tried.
746
747 If, at the end of the disambiguation, more than one possible interpretations are
748 possible, the user will be asked to choose the intended one (see
749 Fig.~\ref{fig:disambiguation}).
750
751 \begin{figure}[htb]
752 %   \centerline{\includegraphics[width=0.9\textwidth]{disambiguation-1}}
753   \caption{\label{fig:disambiguation} Disambiguation: interpretation choice}
754 \end{figure}
755
756 Details of the disambiguation algorithm of \WHELP{} can
757 be found in~\cite{disambiguation}, where an equivalent algorithm
758 that avoids backtracking is also presented.
759
760 \subsection{notazione}
761 \label{sec:notation}
762 \ASSIGNEDTO{zack}
763
764 \subsection{libreria tutta visibile}
765 \ASSIGNEDTO{csc}
766
767 \subsection{ricerca e indicizzazione}
768 \label{sec:metadata}
769 \ASSIGNEDTO{andrea}
770
771 \subsection{auto}
772 \ASSIGNEDTO{andrea}
773
774 \subsection{xml / gestione della libreria}
775 \ASSIGNEDTO{gares}
776
777 \subsection{named variable}
778 \ASSIGNEDTO{csc}
779
780 \subsection{assenza di proof tree / resa in linguaggio naturale}
781 \ASSIGNEDTO{andrea}
782
783 \subsection{selezione semantica, cut paste, hyperlink}
784 \ASSIGNEDTO{zack}
785
786 \subsection{sostituzioni esplicite vs moduli}
787 \ASSIGNEDTO{csc}
788
789 \section{Drawbacks, missing, \dots}
790
791 \subsection{moduli}
792 \ASSIGNEDTO{}
793
794 \subsection{ltac}
795 \ASSIGNEDTO{}
796
797 \subsection{estrazione}
798 \ASSIGNEDTO{}
799
800 \subsection{localizzazione errori}
801 \ASSIGNEDTO{}
802
803 \textbf{Acknowledgements}
804 We would like to thank all the students that during the past
805 five years collaborated in the \HELM{} project and contributed to 
806 the development of Matita, and in particular
807 A.Griggio, F.Guidi, P. Di Lena, L.Padovani, I.Schena, M.Selmi, 
808 V.Tamburrelli.
809
810 \bibliography{matita}
811
812 \end{document}
813