User interaction widgets for interactive theorem proving

Matita (that means pencil in Italian) is a new interactive theorem prover under development at the University of Bologna. When compared with state-of-the-art proof assistants, Matita presents both traditional and innovative aspects. The underlying calculus of the system, namely the Calculus of (Co)Inductive Constructions (CIC for short), is well-known and is used as the basis of another mainstream proof assistant—Coq—with which Matita is to some extent compatible. In the same spirit of several other systems, proof authoring is conducted by the user as a goal directed proof search, using a script for storing textual commands for the system. In the tradition of LCF, the proof language of Matita is procedural and relies on tactic and tacticals to proceed toward proof completion. The interaction paradigm offered to the user is based on the script management technique at the basis of the popularity of the Proof General generic interface for interactive theorem provers: while editing a script the user can move forth the execution point to deliver commands to the system, or back to retract (or “undo”) past commands. Matita has been developed from scratch in the past 8 years by several members of the Helm research group, this thesis author is one of such members. Matita is now a full-fledged proof assistant with a library of about 1.000 concepts. Several innovative solutions spun-off from this development effort. This thesis is about the design and implementation of some of those solutions, in particular those relevant for the topic of user interaction with theorem provers, and of which this thesis author was a major contributor. Joint work with other members of the research group is pointed out where needed. The main topics discussed in this thesis are briefly summarized below. Disambiguation. Most activities connected with interactive proving require the user to input mathematical formulae. Being mathematical notation ambiguous, parsing formulae typeset as mathematicians like to write down on paper is a challenging task; a challenge neglected by several theorem provers which usually prefer to fix an unambiguous input syntax. Exploiting features of the underlying calculus, Matita offers an efficient disambiguation engine which permit to type formulae in the familiar mathematical notation. Step-by-step tacticals. Tacticals are higher-order constructs used in proof scripts to combine tactics together. With tacticals scripts can be made shorter, readable, and more resilient to changes. Unfortunately they are de facto incompatible with state-of-the-art user interfaces based on script management. Such interfaces indeed do not permit to position the execution point inside complex tacticals, thus introducing a trade-off between the usefulness of structuring scripts and a tedious big step execution behavior during script replaying. In Matita we break this trade-off with tinycals: an alternative to a subset of LCF tacticals which can be evaluated in a more fine-grained manner. Extensible yet meaningful notation. Proof assistant users often face the need of creating new mathematical notation in order to ease the use of new concepts. The framework used in Matita for dealing with extensible notation both accounts for high quality bidimensional rendering of formulae (with the expressivity of MathMLPresentation) and provides meaningful notation, where presentational fragments are kept synchronized with semantic representation of terms. Using our approach interoperability with other systems can be achieved at the content level, and direct manipulation of formulae acting on their rendered forms is possible too. Publish/subscribe hints. Automation plays an important role in interactive proving as users like to delegate tedious proving sub-tasks to decision procedures or external reasoners. Exploiting the Web-friendliness of Matita we experimented with a broker and a network of web services (called tutors) which can try independently to complete open sub-goals of a proof, currently being authored in Matita. The user receives hints from the tutors on how to complete sub-goals and can interactively or automatically apply them to the current proof. Another innovative aspect of Matita, only marginally touched by this thesis, is the embedded content-based search engine Whelp which is exploited to various ends, from automatic theorem proving to avoiding duplicate work for the user. We also discuss the (potential) reusability in other systems of the widgets presented in this thesis and how we envisage the evolution of user interfaces for interactive theorem provers in the Web 2.0 era.

Interactive theorem provers: issues faced as a user and tackled as a developer

Interactive theorem provers (ITP for short) are tools whose final aim is to certify proofs written by human beings. To reach that objective they have to fill the gap between the high level language used by humans for communicating and reasoning about mathematics and the lower level language that a machine is able to “understand” and process. The user perceives this gap in terms of missing features or inefficiencies. The developer tries to accommodate the user requests without increasing the already high complexity of these applications. We believe that satisfactory solutions can only come from a strong synergy between users and developers. We devoted most part of our PHD designing and developing the Matita interactive theorem prover. The software was born in the computer science department of the University of Bologna as the result of composing together all the technologies developed by the HELM team (to which we belong) for the MoWGLI project. The MoWGLI project aimed at giving accessibility through the web to the libraries of formalised mathematics of various interactive theorem provers, taking Coq as the main test case. The motivations for giving life to a new ITP are: • study the architecture of these tools, with the aim of understanding the source of their complexity • exploit such a knowledge to experiment new solutions that, for backward compatibility reasons, would be hard (if not impossible) to test on a widely used system like Coq. Matita is based on the Curry-Howard isomorphism, adopting the Calculus of Inductive Constructions (CIC) as its logical foundation. Proof objects are thus, at some extent, compatible with the ones produced with the Coq ITP, that is itself able to import and process the ones generated using Matita. Although the systems have a lot in common, they share no code at all, and even most of the algorithmic solutions are different. The thesis is composed of two parts where we respectively describe our experience as a user and a developer of interactive provers. In particular, the first part is based on two different formalisation experiences: • our internship in the Mathematical Components team (INRIA), that is formalising the finite group theory required to attack the Feit Thompson Theorem. To tackle this result, giving an effective classification of finite groups of odd order, the team adopts the SSReflect Coq extension, developed by Georges Gonthier for the proof of the four colours theorem. • our collaboration at the D.A.M.A. Project, whose goal is the formalisation of abstract measure theory in Matita leading to a constructive proof of Lebesgue’s Dominated Convergence Theorem. The most notable issues we faced, analysed in this part of the thesis, are the following: the difficulties arising when using “black box” automation in large formalisations; the impossibility for a user (especially a newcomer) to master the context of a library of already formalised results; the uncomfortable big step execution of proof commands historically adopted in ITPs; the difficult encoding of mathematical structures with a notion of inheritance in a type theory without subtyping like CIC. In the second part of the manuscript many of these issues will be analysed with the looking glasses of an ITP developer, describing the solutions we adopted in the implementation of Matita to solve these problems: integrated searching facilities to assist the user in handling large libraries of formalised results; a small step execution semantic for proof commands; a flexible implementation of coercive subtyping allowing multiple inheritance with shared substructures; automatic tactics, integrated with the searching facilities, that generates proof commands (and not only proof objects, usually kept hidden to the user) one of which specifically designed to be user driven.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.