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  • Author(s): Stéphane Glondu, Stéphane Glondu, Samuel Mimram
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Lines of Context:
1
 
\chapter{Calculus of Inductive Constructions}
2
 
\label{Cic}
3
 
\index{Cic@\textsc{CIC}}
4
 
\index{pCic@p\textsc{CIC}}
5
 
\index{Calculus of (Co)Inductive Constructions}
6
 
 
7
 
The underlying formal language of {\Coq} is a {\em Calculus of
8
 
  Constructions} with {\em Inductive Definitions}.  It is presented in
9
 
this chapter.  
10
 
For {\Coq} version V7, this Calculus was known as the
11
 
{\em Calculus of (Co)Inductive Constructions}\index{Calculus of
12
 
  (Co)Inductive Constructions} (\iCIC\ in short).
13
 
The underlying calculus of {\Coq} version V8.0 and up is a weaker
14
 
  calculus where the sort \Set{} satisfies predicative rules. 
15
 
We call this calculus the 
16
 
{\em Predicative Calculus of (Co)Inductive
17
 
  Constructions}\index{Predicative Calculus of
18
 
  (Co)Inductive Constructions} (\pCIC\ in short).
19
 
In section~\ref{impredicativity} we give the extra-rules for \iCIC. A
20
 
  compiling option of \Coq{} allows to type-check theories in this
21
 
  extended system.
22
 
 
23
 
In \CIC\, all objects have a {\em type}. There are types for functions (or
24
 
programs), there are atomic types (especially datatypes)... but also
25
 
types for proofs and types for the types themselves.
26
 
Especially, any object handled in the formalism must belong to a
27
 
type.  For instance, the statement {\it ``for all x, P''} is not
28
 
allowed in type theory; you must say instead: {\it ``for all x
29
 
belonging to T, P''}. The expression {\it ``x belonging to T''} is
30
 
written {\it ``x:T''}. One also says: {\it ``x has type T''}.
31
 
The terms of {\CIC} are detailed in section \ref{Terms}.
32
 
 
33
 
In \CIC\, there is an internal reduction mechanism. In particular, it
34
 
allows to decide if two programs are {\em intentionally} equal (one
35
 
says {\em convertible}). Convertibility is presented in section 
36
 
\ref{convertibility}.
37
 
 
38
 
The remaining sections are concerned with the type-checking of terms.
39
 
The beginner can skip them.
40
 
 
41
 
The reader seeking a background on the Calculus of Inductive
42
 
Constructions may read several papers. Gim�nez and Cast�ran~\cite{GimCas05} 
43
 
provide
44
 
an introduction to inductive and coinductive definitions in Coq. In
45
 
their book~\cite{CoqArt}, Bertot and Cast�ran give a precise
46
 
description of the \CIC{} based on numerous practical examples.
47
 
Barras~\cite{Bar99}, Werner~\cite{Wer94} and
48
 
Paulin-Mohring~\cite{Moh97} are the most recent theses dealing with
49
 
Inductive Definitions. Coquand-Huet~\cite{CoHu85a,CoHu85b,CoHu86}
50
 
introduces the Calculus of Constructions. Coquand-Paulin~\cite{CoPa89}
51
 
extended this calculus to inductive definitions. The {\CIC} is a
52
 
formulation of type theory including the possibility of inductive
53
 
constructions, Barendregt~\cite{Bar91} studies the modern form of type
54
 
theory.
55
 
 
56
 
\section{The terms}\label{Terms}
57
 
 
58
 
In most type theories, one usually makes a syntactic distinction
59
 
between types and terms. This is not the case for \CIC\ which defines
60
 
both types and terms in the same syntactical structure. This is
61
 
because the type-theory itself forces terms and types to be defined in
62
 
a mutual recursive way and also because similar constructions can be
63
 
applied to both terms and types and consequently can share the same
64
 
syntactic structure.
65
 
 
66
 
Consider for instance the $\ra$ constructor and assume \nat\ is the
67
 
type of natural numbers. Then $\ra$ is used both to denote
68
 
$\nat\ra\nat$ which is the type of functions from \nat\ to \nat, and
69
 
to denote $\nat \ra \Prop$ which is the type of unary predicates over
70
 
the natural numbers. Consider abstraction which builds functions. It
71
 
serves to build ``ordinary'' functions as $\kw{fun}~x:\nat \Ra ({\tt mult} ~x~x)$ (assuming {\tt mult} is already defined) but may build also 
72
 
predicates over the natural numbers. For instance $\kw{fun}~x:\nat \Ra
73
 
(x=x)$ will
74
 
represent a predicate $P$, informally written in mathematics
75
 
$P(x)\equiv x=x$. If $P$ has type $\nat \ra \Prop$, $(P~x)$ is a
76
 
proposition, furthermore $\kw{forall}~x:\nat,(P~x)$ will represent the type of
77
 
functions which associate to each natural number $n$ an object of
78
 
type $(P~n)$ and consequently represent proofs of the formula
79
 
``$\forall x.P(x)$''.
80
 
 
81
 
\subsection{Sorts}\label{Sorts}
82
 
\index{Sorts}
83
 
Types are seen as terms of the language and then should belong to
84
 
another type. The type of a type is always a constant of the language
85
 
called a {\em sort}.
86
 
 
87
 
The two basic sorts in the language of \CIC\ are \Set\ and \Prop.
88
 
 
89
 
The sort \Prop\ intends to be the type of logical propositions.  If
90
 
$M$ is a logical proposition then it denotes a class, namely the class
91
 
of terms representing proofs of $M$. An object $m$ belonging to $M$
92
 
witnesses the fact that $M$ is true.  An object of type \Prop\ is
93
 
called a {\em proposition}.
94
 
 
95
 
The sort \Set\ intends to be the type of specifications. This includes
96
 
programs and the usual sets such as booleans, naturals, lists
97
 
etc.
98
 
 
99
 
These sorts themselves can be manipulated as ordinary terms.
100
 
Consequently sorts also should be given a type.  Because assuming
101
 
simply that \Set\ has type \Set\ leads to an inconsistent theory, we
102
 
have infinitely many sorts in the language of \CIC. These are, in
103
 
addition to \Set\ and \Prop\, a hierarchy of universes \Type$(i)$
104
 
for any integer $i$.  We call \Sort\ the set of sorts
105
 
which is defined by:
106
 
\[\Sort \equiv \{\Prop,\Set,\Type(i)| i \in \NN\} \]
107
 
\index{Type@{\Type}}
108
 
\index{Prop@{\Prop}}
109
 
\index{Set@{\Set}}
110
 
The sorts enjoy the following properties: {\Prop:\Type(0)}, {\Set:\Type(0)} and
111
 
  {\Type$(i)$:\Type$(i+1)$}.
112
 
 
113
 
The user will never mention explicitly the index $i$ when referring to
114
 
the universe \Type$(i)$. One only writes \Type. The
115
 
system itself generates for each instance of \Type\ a new
116
 
index for the universe and checks that the constraints between these
117
 
indexes can be solved. From the user point of view we consequently
118
 
have {\sf Type :Type}.
119
 
 
120
 
We shall make precise in the typing rules the constraints between the
121
 
indexes. 
122
 
 
123
 
\paragraph{Implementation issues}
124
 
In practice, the {\Type} hierarchy is implemented using algebraic
125
 
universes. An algebraic universe $u$ is either a variable (a qualified
126
 
identifier with a number) or a successor of an algebraic universe (an
127
 
expression $u+1$), or an upper bound of algebraic universes (an
128
 
expression $max(u_1,...,u_n)$), or the base universe (the expression
129
 
$0$) which corresponds, in the arity of sort-polymorphic inductive
130
 
types, to the predicative sort {\Set}. A graph of constraints between
131
 
the universe variables is maintained globally. To ensure the existence
132
 
of a mapping of the universes to the positive integers, the graph of
133
 
constraints must remain acyclic.  Typing expressions that violate the
134
 
acyclicity of the graph of constraints results in a \errindex{Universe
135
 
inconsistency} error (see also section~\ref{PrintingUniverses}).
136
 
 
137
 
\subsection{Constants}
138
 
Besides the sorts, the language also contains constants denoting
139
 
objects in the environment. These constants may denote previously
140
 
defined objects but also objects related to inductive definitions
141
 
(either the type itself or one of its constructors or destructors).
142
 
 
143
 
\medskip\noindent {\bf Remark. } In other presentations of \CIC, 
144
 
the inductive objects are not seen as
145
 
external declarations but as first-class terms. Usually the
146
 
definitions are also completely ignored.  This is a nice theoretical
147
 
point of view but not so practical. An inductive definition is
148
 
specified by a possibly huge set of declarations, clearly we want to
149
 
share this specification among the various inductive objects and not
150
 
to duplicate it. So the specification should exist somewhere and the
151
 
various objects should refer to it.  We choose one more level of
152
 
indirection where the objects are just represented as constants and
153
 
the environment gives the information on the kind of object the
154
 
constant refers to.
155
 
 
156
 
\medskip
157
 
Our inductive objects will be manipulated as constants declared in the
158
 
environment. This roughly corresponds to the way they are actually
159
 
implemented in the \Coq\ system. It is simple to map this presentation
160
 
in a theory where inductive objects are represented by terms.
161
 
 
162
 
\subsection{Terms}
163
 
 
164
 
Terms are built from variables, global names, constructors,
165
 
abstraction, application, local declarations bindings (``let-in''
166
 
expressions) and product.
167
 
 
168
 
From a syntactic point of view, types cannot be distinguished from terms,
169
 
except that they cannot start by an abstraction, and that if a term is
170
 
a sort or a product, it should be a type.
171
 
 
172
 
More precisely the language of the {\em Calculus of Inductive
173
 
  Constructions} is built from the following rules:
174
 
 
175
 
\begin{enumerate}
176
 
\item the sorts {\sf Set, Prop, Type} are terms.
177
 
\item names for global constants of the environment are terms.
178
 
\item variables are terms.
179
 
\item if $x$ is a variable and $T$, $U$ are terms then $\forall~x:T,U$
180
 
  ($\kw{forall}~x:T,U$ in \Coq{} concrete syntax) is a term. If $x$
181
 
  occurs in $U$, $\forall~x:T,U$ reads as {\it ``for all x of type T,
182
 
    U''}. As $U$ depends on $x$, one says that $\forall~x:T,U$ is a
183
 
  {\em dependent product}. If $x$ doesn't occurs in $U$ then
184
 
  $\forall~x:T,U$ reads as {\it ``if T then U''}. A non dependent
185
 
  product can be written: $T \rightarrow U$.
186
 
\item if $x$ is a variable and $T$, $U$ are terms then $\lb~x:T \mto U$
187
 
  ($\kw{fun}~x:T\Ra U$ in \Coq{} concrete syntax) is a term. This is a
188
 
  notation for the $\lambda$-abstraction of
189
 
  $\lambda$-calculus\index{lambda-calculus@$\lambda$-calculus}
190
 
  \cite{Bar81}. The term $\lb~x:T \mto U$ is a function which maps
191
 
  elements of $T$ to $U$.
192
 
\item if $T$ and $U$ are terms then $(T\ U)$ is a term  
193
 
 ($T~U$ in \Coq{} concrete syntax).  The term $(T\ 
194
 
  U)$ reads as {\it ``T applied to U''}.
195
 
\item if $x$ is a variable, and $T$, $U$ are terms then
196
 
  $\kw{let}~x:=T~\kw{in}~U$ is a
197
 
  term which denotes the term $U$ where the variable $x$ is locally
198
 
  bound to $T$. This stands for the common ``let-in'' construction of
199
 
  functional programs such as ML or Scheme.
200
 
\end{enumerate}
201
 
 
202
 
\paragraph{Notations.} Application associates to the left such that
203
 
$(t~t_1\ldots t_n)$ represents $(\ldots (t~t_1)\ldots t_n)$. The
204
 
products and arrows associate to the right such that $\forall~x:A,B\ra C\ra
205
 
D$ represents $\forall~x:A,(B\ra (C\ra D))$.  One uses sometimes
206
 
$\forall~x~y:A,B$ or
207
 
$\lb~x~y:A\mto B$ to denote the abstraction or product of several variables
208
 
of the same type. The equivalent formulation is $\forall~x:A, \forall y:A,B$ or
209
 
$\lb~x:A \mto \lb y:A \mto B$
210
 
 
211
 
\paragraph{Free variables.}
212
 
The notion of free variables is defined as usual.  In the expressions
213
 
$\lb~x:T\mto U$ and $\forall x:T, U$ the occurrences of $x$ in $U$
214
 
are bound.  They are represented by de Bruijn indexes in the internal
215
 
structure of terms.
216
 
 
217
 
\paragraph{Substitution.} \index{Substitution}
218
 
The notion of substituting a term $t$ to free occurrences of a
219
 
variable $x$ in a term $u$ is defined as usual. The resulting term
220
 
is written $\subst{u}{x}{t}$.
221
 
 
222
 
 
223
 
\section{Typed terms}\label{Typed-terms}
224
 
 
225
 
As objects of type theory, terms are subjected to {\em type
226
 
discipline}. The well typing of a term depends on an environment which
227
 
consists in a global environment (see below) and a local context.
228
 
 
229
 
\paragraph{Local context.}
230
 
A {\em local context} (or shortly context) is an ordered list of
231
 
declarations of variables. The declaration of some variable $x$ is
232
 
either an assumption, written $x:T$ ($T$ is a type) or a definition,
233
 
written $x:=t:T$.  We use brackets to write contexts. A
234
 
typical example is $[x:T;y:=u:U;z:V]$.  Notice that the variables
235
 
declared in a context must be distinct. If $\Gamma$ declares some $x$,
236
 
we write $x \in \Gamma$. By writing $(x:T) \in \Gamma$ we mean that
237
 
either $x:T$ is an assumption in $\Gamma$ or that there exists some $t$ such
238
 
that $x:=t:T$ is a definition in $\Gamma$. If $\Gamma$ defines some
239
 
$x:=t:T$, we also write $(x:=t:T) \in \Gamma$.  Contexts must be
240
 
themselves {\em well formed}.  For the rest of the chapter, the
241
 
notation $\Gamma::(y:T)$ (resp. $\Gamma::(y:=t:T)$) denotes the context
242
 
$\Gamma$ enriched with the declaration $y:T$ (resp. $y:=t:T$). The
243
 
notation $[]$ denotes the empty context.  \index{Context}
244
 
 
245
 
% Does not seem to be used further...
246
 
% Si dans l'explication WF(E)[Gamma] concernant les constantes
247
 
% definies ds un contexte
248
 
 
249
 
We define the inclusion of two contexts $\Gamma$ and $\Delta$ (written
250
 
as $\Gamma \subset \Delta$) as the property, for all variable $x$,
251
 
type $T$ and term $t$, if $(x:T) \in \Gamma$ then $(x:T) \in \Delta$
252
 
and if $(x:=t:T) \in \Gamma$ then $(x:=t:T) \in \Delta$.  
253
 
%We write
254
 
% $|\Delta|$ for the length of the context $\Delta$, that is for the number
255
 
% of declarations (assumptions or definitions) in $\Delta$.
256
 
 
257
 
A variable $x$ is said to be free in $\Gamma$ if $\Gamma$ contains a
258
 
declaration $y:T$ such that $x$ is free in $T$.
259
 
 
260
 
\paragraph{Environment.}\index{Environment}
261
 
Because we are manipulating global declarations (constants and global
262
 
assumptions), we also need to consider a global environment $E$.
263
 
 
264
 
An environment is an ordered list of declarations of global
265
 
names. Declarations are either assumptions or ``standard''
266
 
definitions, that is abbreviations for well-formed terms
267
 
but also definitions of inductive objects. In the latter
268
 
case, an object in the environment will define one or more constants
269
 
(that is types and constructors, see section \ref{Cic-inductive-definitions}).
270
 
 
271
 
An assumption will be represented in the environment as
272
 
\Assum{\Gamma}{c}{T} which means that $c$ is assumed of some type $T$
273
 
well-defined in some context $\Gamma$. An (ordinary) definition will
274
 
be represented in the environment as \Def{\Gamma}{c}{t}{T} which means
275
 
that $c$ is a constant which is valid in some context $\Gamma$ whose
276
 
value is $t$ and type is $T$.
277
 
 
278
 
The rules for inductive definitions (see section
279
 
\ref{Cic-inductive-definitions}) have to be considered as assumption
280
 
rules to which the following definitions apply: if the name $c$ is
281
 
declared in $E$, we write $c \in E$ and if $c:T$ or $c:=t:T$ is
282
 
declared in $E$, we write $(c : T) \in E$.
283
 
 
284
 
\paragraph{Typing rules.}\label{Typing-rules}\index{Typing rules}
285
 
In the following, we assume $E$ is a valid environment wrt to
286
 
inductive definitions.  We define simultaneously two
287
 
judgments.  The first one \WTEG{t}{T} means the term $t$ is well-typed
288
 
and has type $T$ in the environment $E$ and context $\Gamma$.  The
289
 
second judgment \WFE{\Gamma} means that the environment $E$ is
290
 
well-formed and the context $\Gamma$ is a valid context in this
291
 
environment.  It also means a third property which makes sure that any
292
 
constant in $E$ was defined in an environment which is included in
293
 
$\Gamma$
294
 
\footnote{This requirement could be relaxed if we instead introduced
295
 
  an explicit mechanism for instantiating constants. At the external
296
 
  level, the Coq engine works accordingly to this view that all the
297
 
  definitions in the environment were built in a sub-context of the
298
 
  current context.}.
299
 
 
300
 
A term $t$ is well typed in an environment $E$ iff there exists a
301
 
context $\Gamma$ and a term $T$ such that the judgment \WTEG{t}{T} can
302
 
be derived from the following rules.
303
 
\begin{description}
304
 
\item[W-E] \inference{\WF{[]}{[]}}
305
 
\item[W-S]  % Ce n'est pas vrai : x peut apparaitre plusieurs fois dans Gamma
306
 
\inference{\frac{\WTEG{T}{s}~~~~s \in \Sort~~~~x \not\in
307
 
      \Gamma           % \cup E
308
 
      }
309
 
      {\WFE{\Gamma::(x:T)}}~~~~~
310
 
    \frac{\WTEG{t}{T}~~~~x \not\in
311
 
      \Gamma           % \cup E
312
 
     }{\WFE{\Gamma::(x:=t:T)}}}
313
 
\item[Def] \inference{\frac{\WTEG{t}{T}~~~c \notin E \cup \Gamma}
314
 
                      {\WF{E;\Def{\Gamma}{c}{t}{T}}{\Gamma}}}
315
 
\item[Assum] \inference{\frac{\WTEG{T}{s}~~~~s \in \Sort~~~~c \notin E \cup \Gamma}
316
 
                      {\WF{E;\Assum{\Gamma}{c}{T}}{\Gamma}}}
317
 
\item[Ax] \index{Typing rules!Ax}
318
 
\inference{\frac{\WFE{\Gamma}}{\WTEG{\Prop}{\Type(p)}}~~~~~
319
 
\frac{\WFE{\Gamma}}{\WTEG{\Set}{\Type(q)}}}
320
 
\inference{\frac{\WFE{\Gamma}~~~~i<j}{\WTEG{\Type(i)}{\Type(j)}}}
321
 
\item[Var]\index{Typing rules!Var}
322
 
 \inference{\frac{ \WFE{\Gamma}~~~~~(x:T) \in \Gamma~~\mbox{or}~~(x:=t:T) \in \Gamma~\mbox{for some $t$}}{\WTEG{x}{T}}}
323
 
\item[Const]  \index{Typing rules!Const}
324
 
\inference{\frac{\WFE{\Gamma}~~~~(c:T) \in E~~\mbox{or}~~(c:=t:T) \in E~\mbox{for some $t$} }{\WTEG{c}{T}}}
325
 
\item[Prod]  \index{Typing rules!Prod}
326
 
\inference{\frac{\WTEG{T}{s}~~~~s \in \Sort~~~
327
 
    \WTE{\Gamma::(x:T)}{U}{\Prop}}
328
 
      { \WTEG{\forall~x:T,U}{\Prop}}} 
329
 
\inference{\frac{\WTEG{T}{s}~~~~s \in\{\Prop, \Set\}~~~~~~
330
 
    \WTE{\Gamma::(x:T)}{U}{\Set}}
331
 
      { \WTEG{\forall~x:T,U}{\Set}}} 
332
 
\inference{\frac{\WTEG{T}{\Type(i)}~~~~i\leq k~~~
333
 
    \WTE{\Gamma::(x:T)}{U}{\Type(j)}~~~j \leq k}
334
 
    {\WTEG{\forall~x:T,U}{\Type(k)}}}
335
 
\item[Lam]\index{Typing rules!Lam} 
336
 
\inference{\frac{\WTEG{\forall~x:T,U}{s}~~~~ \WTE{\Gamma::(x:T)}{t}{U}}
337
 
        {\WTEG{\lb~x:T\mto t}{\forall x:T, U}}}
338
 
\item[App]\index{Typing rules!App}
339
 
 \inference{\frac{\WTEG{t}{\forall~x:U,T}~~~~\WTEG{u}{U}}
340
 
                 {\WTEG{(t\ u)}{\subst{T}{x}{u}}}}
341
 
\item[Let]\index{Typing rules!Let} 
342
 
\inference{\frac{\WTEG{t}{T}~~~~ \WTE{\Gamma::(x:=t:T)}{u}{U}}
343
 
        {\WTEG{\kw{let}~x:=t~\kw{in}~u}{\subst{U}{x}{t}}}}
344
 
\end{description}
345
 
    
346
 
\Rem We may have $\kw{let}~x:=t~\kw{in}~u$
347
 
well-typed without having $((\lb~x:T\mto u)~t)$ well-typed (where
348
 
$T$ is a type of $t$). This is because the value $t$ associated to $x$
349
 
may be used in a conversion rule (see section \ref{conv-rules}).
350
 
 
351
 
\section{Conversion rules}
352
 
\index{Conversion rules}
353
 
\label{conv-rules}
354
 
\paragraph{$\beta$-reduction.}
355
 
\label{beta}\index{beta-reduction@$\beta$-reduction}
356
 
 
357
 
We want to be able to identify some terms as we can identify the
358
 
application of a function to a given argument with its result. For
359
 
instance the identity function over a given type $T$ can be written
360
 
$\lb~x:T\mto x$. In any environment $E$ and context $\Gamma$, we want to identify any object $a$ (of type $T$) with the
361
 
application $((\lb~x:T\mto x)~a)$. We define for this a {\em reduction} (or a
362
 
{\em conversion}) rule we call $\beta$:
363
 
\[ \WTEGRED{((\lb~x:T\mto
364
 
  t)~u)}{\triangleright_{\beta}}{\subst{t}{x}{u}} \] 
365
 
We say that $\subst{t}{x}{u}$ is the {\em $\beta$-contraction} of
366
 
$((\lb~x:T\mto t)~u)$ and, conversely, that $((\lb~x:T\mto t)~u)$
367
 
is the {\em $\beta$-expansion} of $\subst{t}{x}{u}$.
368
 
 
369
 
According to $\beta$-reduction, terms of the {\em Calculus of
370
 
  Inductive Constructions} enjoy some fundamental properties such as
371
 
confluence, strong normalization, subject reduction. These results are
372
 
theoretically of great importance but we will not detail them here and
373
 
refer the interested reader to \cite{Coq85}.
374
 
 
375
 
\paragraph{$\iota$-reduction.}
376
 
\label{iota}\index{iota-reduction@$\iota$-reduction}
377
 
A specific conversion rule is associated to the inductive objects in
378
 
the environment.  We shall give later on (section \ref{iotared}) the
379
 
precise rules but it just says that a destructor applied to an object
380
 
built from a constructor behaves as expected.  This reduction is
381
 
called $\iota$-reduction and is more precisely studied in
382
 
\cite{Moh93,Wer94}.
383
 
 
384
 
 
385
 
\paragraph{$\delta$-reduction.}
386
 
\label{delta}\index{delta-reduction@$\delta$-reduction}
387
 
 
388
 
We may have defined variables in contexts or constants in the global
389
 
environment. It is legal to identify such a reference with its value,
390
 
that is to expand (or unfold) it into its value. This
391
 
reduction is called $\delta$-reduction and shows as follows.
392
 
 
393
 
$$\WTEGRED{x}{\triangleright_{\delta}}{t}~~~~~\mbox{if $(x:=t:T) \in \Gamma$}~~~~~~~~~\WTEGRED{c}{\triangleright_{\delta}}{t}~~~~~\mbox{if $(c:=t:T) \in E$}$$
394
 
 
395
 
 
396
 
\paragraph{$\zeta$-reduction.}
397
 
\label{zeta}\index{zeta-reduction@$\zeta$-reduction}
398
 
 
399
 
Coq allows also to remove local definitions occurring in terms by
400
 
replacing the defined variable by its value. The declaration being
401
 
destroyed, this reduction differs from $\delta$-reduction. It is
402
 
called $\zeta$-reduction and shows as follows.
403
 
 
404
 
$$\WTEGRED{\kw{let}~x:=u~\kw{in}~t}{\triangleright_{\zeta}}{\subst{t}{x}{u}}$$
405
 
 
406
 
\paragraph{Convertibility.}
407
 
\label{convertibility}
408
 
\index{beta-reduction@$\beta$-reduction}\index{iota-reduction@$\iota$-reduction}\index{delta-reduction@$\delta$-reduction}\index{zeta-reduction@$\zeta$-reduction}
409
 
 
410
 
Let us write $\WTEGRED{t}{\triangleright}{u}$ for the contextual closure of the relation $t$ reduces to $u$ in the environment $E$ and context $\Gamma$ with one of the previous reduction $\beta$, $\iota$, $\delta$ or $\zeta$.
411
 
 
412
 
We say that two terms $t_1$ and $t_2$ are {\em convertible} (or {\em
413
 
  equivalent)} in the environment $E$ and context $\Gamma$ iff there exists a term $u$ such that $\WTEGRED{t_1}{\triangleright \ldots \triangleright}{u}$
414
 
and $\WTEGRED{t_2}{\triangleright \ldots \triangleright}{u}$.
415
 
We then write $\WTEGCONV{t_1}{t_2}$.
416
 
 
417
 
The convertibility relation allows to introduce a new typing rule
418
 
which says that two convertible well-formed types have the same
419
 
inhabitants.
420
 
 
421
 
At the moment, we did not take into account one rule between universes
422
 
which says that any term in a universe of index $i$ is also a term in
423
 
the universe of index $i+1$. This property is included into the
424
 
conversion rule by extending the equivalence relation of
425
 
convertibility into an order inductively defined by:
426
 
\begin{enumerate}
427
 
\item if $\WTEGCONV{t}{u}$ then $\WTEGLECONV{t}{u}$,
428
 
\item if $i \leq j$ then $\WTEGLECONV{\Type(i)}{\Type(j)}$,
429
 
\item for any $i$, $\WTEGLECONV{\Prop}{\Type(i)}$,
430
 
\item for any $i$, $\WTEGLECONV{\Set}{\Type(i)}$,
431
 
\item if $\WTEGCONV{T}{U}$ and $\WTELECONV{\Gamma::(x:T)}{T'}{U'}$ then $\WTEGLECONV{\forall~x:T,T'}{\forall~x:U,U'}$.
432
 
\end{enumerate}
433
 
 
434
 
The conversion rule is now exactly:
435
 
 
436
 
\begin{description}\label{Conv}
437
 
\item[Conv]\index{Typing rules!Conv}
438
 
 \inference{
439
 
      \frac{\WTEG{U}{s}~~~~\WTEG{t}{T}~~~~\WTEGLECONV{T}{U}}{\WTEG{t}{U}}}
440
 
  \end{description}
441
 
 
442
 
 
443
 
\paragraph{$\eta$-conversion.
444
 
\label{eta}
445
 
\index{eta-conversion@$\eta$-conversion}
446
 
\index{eta-reduction@$\eta$-reduction}}
447
 
 
448
 
An other important rule is the $\eta$-conversion. It is to identify
449
 
terms over a dummy abstraction of a variable followed by an
450
 
application of this variable. Let $T$ be a type, $t$ be a term in
451
 
which the variable $x$ doesn't occurs free. We have
452
 
\[ \WTEGRED{\lb~x:T\mto (t\ x)}{\triangleright}{t} \]
453
 
Indeed, as $x$ doesn't occur free in $t$, for any $u$ one
454
 
applies to $\lb~x:T\mto (t\ x)$, it $\beta$-reduces to $(t\ u)$. So
455
 
$\lb~x:T\mto (t\ x)$ and $t$ can be identified.
456
 
 
457
 
\Rem The $\eta$-reduction is not taken into account in the
458
 
convertibility rule of \Coq.
459
 
 
460
 
\paragraph{Normal form.}\index{Normal form}\label{Normal-form}\label{Head-normal-form}\index{Head normal form}
461
 
A term which cannot be any more reduced is said to be in {\em normal
462
 
  form}. There are several ways (or strategies) to apply the reduction
463
 
rule. Among them, we have to mention the {\em head reduction} which
464
 
will play an important role (see chapter \ref{Tactics}). Any term can
465
 
be written as $\lb~x_1:T_1\mto \ldots \lb x_k:T_k \mto 
466
 
(t_0\ t_1\ldots t_n)$ where
467
 
$t_0$ is not an application. We say then that $t_0$ is the {\em head
468
 
  of $t$}. If we assume that $t_0$ is $\lb~x:T\mto u_0$ then one step of
469
 
$\beta$-head reduction of $t$ is:
470
 
\[\lb~x_1:T_1\mto \ldots \lb x_k:T_k\mto (\lb~x:T\mto u_0\ t_1\ldots t_n) 
471
 
~\triangleright ~ \lb~(x_1:T_1)\ldots(x_k:T_k)\mto 
472
 
(\subst{u_0}{x}{t_1}\ t_2 \ldots t_n)\]
473
 
Iterating the process of head reduction until the head of the reduced
474
 
term is no more an abstraction leads to the {\em $\beta$-head normal
475
 
  form} of $t$:
476
 
\[ t \triangleright \ldots \triangleright
477
 
\lb~x_1:T_1\mto \ldots\lb x_k:T_k\mto (v\ u_1
478
 
\ldots u_m)\]
479
 
where $v$ is not an abstraction (nor an application).  Note that the
480
 
head normal form must not be confused with the normal form since some
481
 
$u_i$ can be reducible.
482
 
 
483
 
Similar notions of head-normal forms involving $\delta$, $\iota$ and $\zeta$
484
 
reductions or any combination of those can also be defined.
485
 
 
486
 
\section{Derived rules for environments}
487
 
 
488
 
From the original rules of the type system, one can derive new rules
489
 
which change the context of definition of objects in the environment.
490
 
Because these rules correspond to elementary operations in the \Coq\ 
491
 
engine used in the discharge mechanism at the end of a section, we
492
 
state them explicitly.
493
 
 
494
 
\paragraph{Mechanism of substitution.}
495
 
 
496
 
One rule which can be proved valid, is to replace a term $c$ by its
497
 
value in the environment. As we defined the substitution of a term for
498
 
a variable in a term, one can define the substitution of a term for a
499
 
constant. One easily extends this substitution to contexts and
500
 
environments.
501
 
 
502
 
\paragraph{Substitution Property:} 
503
 
\inference{\frac{\WF{E;\Def{\Gamma}{c}{t}{T}; F}{\Delta}}
504
 
           {\WF{E; \subst{F}{c}{t}}{\subst{\Delta}{c}{t}}}}
505
 
 
506
 
 
507
 
\paragraph{Abstraction.}
508
 
 
509
 
One can modify the context of definition of a constant $c$ by
510
 
abstracting a constant with respect to the last variable $x$ of its
511
 
defining context. For doing that, we need to check that the constants
512
 
appearing in the body of the declaration do not depend on $x$, we need
513
 
also to modify the reference to the constant $c$ in the environment
514
 
and context by explicitly applying this constant to the variable $x$.
515
 
Because of the rules for building environments and terms we know the
516
 
variable $x$ is available at each stage where $c$ is mentioned.
517
 
 
518
 
\paragraph{Abstracting property:} 
519
 
 \inference{\frac{\WF{E; \Def{\Gamma::(x:U)}{c}{t}{T};
520
 
       F}{\Delta}~~~~\WFE{\Gamma}}
521
 
           {\WF{E;\Def{\Gamma}{c}{\lb~x:U\mto t}{\forall~x:U,T};
522
 
  \subst{F}{c}{(c~x)}}{\subst{\Delta}{c}{(c~x)}}}}
523
 
 
524
 
\paragraph{Pruning the context.} 
525
 
We said the judgment \WFE{\Gamma} means that the defining contexts of
526
 
constants in $E$ are included in $\Gamma$. If one abstracts or
527
 
substitutes the constants with the above rules then it may happen
528
 
that the context $\Gamma$ is now bigger than the one needed for
529
 
defining the constants in $E$. Because defining contexts are growing
530
 
in $E$, the minimum context needed for defining the constants in $E$
531
 
is the same as the one for the last constant. One can consequently
532
 
derive the following property.
533
 
 
534
 
\paragraph{Pruning property:}
535
 
\inference{\frac{\WF{E; \Def{\Delta}{c}{t}{T}}{\Gamma}}
536
 
                {\WF{E;\Def{\Delta}{c}{t}{T}}{\Delta}}}
537
 
 
538
 
 
539
 
\section{Inductive Definitions}\label{Cic-inductive-definitions}
540
 
 
541
 
A (possibly mutual) inductive definition is specified by giving the
542
 
names and the type of the inductive sets or families to be
543
 
defined and the names and types of the constructors of the inductive
544
 
predicates.  An inductive declaration in the environment can
545
 
consequently be represented with two contexts (one for inductive
546
 
definitions, one for constructors).
547
 
 
548
 
Stating the rules for inductive definitions in their general form
549
 
needs quite tedious definitions. We shall try to give a concrete
550
 
understanding of the rules by precising them on running examples.  We
551
 
take as examples the type of natural numbers, the type of
552
 
parameterized lists over a type $A$, the relation which states that
553
 
a list has some given length and the mutual inductive definition of trees and
554
 
forests. 
555
 
 
556
 
\subsection{Representing an inductive definition}
557
 
\subsubsection{Inductive definitions without parameters}
558
 
As for constants, inductive definitions can be defined in a non-empty
559
 
context. \\
560
 
We write \NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C} an inductive
561
 
definition valid in a context $\Gamma$, a
562
 
context of definitions $\Gamma_I$ and a context of constructors
563
 
$\Gamma_C$.
564
 
\paragraph{Examples.}
565
 
The inductive declaration for the type of natural numbers will be:
566
 
\[\NInd{}{\nat:\Set}{\nO:\nat,\nS:\nat\ra\nat}\]
567
 
In a context with a variable $A:\Set$, the lists of elements in $A$ is
568
 
represented by:
569
 
\[\NInd{A:\Set}{\List:\Set}{\Nil:\List,\cons : A \ra \List \ra
570
 
  \List}\]
571
 
 Assuming 
572
 
  $\Gamma_I$ is $[I_1:A_1;\ldots;I_k:A_k]$, and $\Gamma_C$ is
573
 
  $[c_1:C_1;\ldots;c_n:C_n]$, the general typing rules are, 
574
 
  for $1\leq j\leq k$ and $1\leq i\leq n$:
575
 
 
576
 
\bigskip
577
 
\inference{\frac{\NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C} \in E}{(I_j:A_j) \in E}}
578
 
 
579
 
\inference{\frac{\NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C} \in E}{(c_i:C_i) \in E}}
580
 
 
581
 
\subsubsection{Inductive definitions with parameters}
582
 
 
583
 
We have to slightly complicate the representation above in order to handle
584
 
the delicate problem of parameters. 
585
 
Let us explain that on the example of \List. As they were defined
586
 
above, the type \List\ can only be used in an environment where we
587
 
have a variable $A:\Set$. Generally one want to consider lists of
588
 
elements in different types. For constants this is easily done by abstracting
589
 
the value over the parameter. In the case of inductive definitions we
590
 
have to handle the abstraction over several objects.
591
 
 
592
 
One possible way to do that would be to define the type \List\
593
 
inductively as being an inductive family of type $\Set\ra\Set$:
594
 
\[\NInd{}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:(A:\Set)(\List~A),\cons : (A:\Set)A
595
 
  \ra (\List~A) \ra (\List~A)}\]
596
 
There are drawbacks to this point of view. The
597
 
information which says that for any $A$, $(\List~A)$ is an inductively defined
598
 
\Set\ has been lost.
599
 
So we introduce two important definitions.
600
 
 
601
 
\paragraph{Inductive parameters, real arguments.}
602
 
An inductive definition $\NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C}$ admits 
603
 
$r$ inductive parameters if each type of constructors $(c:C)$ in
604
 
$\Gamma_C$ is such that 
605
 
\[C\equiv \forall
606
 
p_1:P_1,\ldots,\forall p_r:P_r,\forall a_1:A_1, \ldots \forall a_n:A_n,
607
 
(I~p_1~\ldots p_r~t_1\ldots t_q)\]
608
 
with $I$ one of the inductive definitions in $\Gamma_I$. 
609
 
We say that $n$ is the number of real arguments of the constructor
610
 
$c$. 
611
 
\paragraph{Context of parameters.}
612
 
If an inductive definition $\NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C}$ admits 
613
 
$r$ inductive parameters, then there exists a context $\Gamma_P$ of
614
 
size $r$, such that $\Gamma_P=p_1:P_1;\ldots;p_r:P_r$ and 
615
 
if $(t:A) \in \Gamma_I,\Gamma_C$ then $A$ can be written as 
616
 
$\forall p_1:P_1,\ldots \forall p_r:P_r,A'$. 
617
 
We call $\Gamma_P$ the context of parameters of the inductive
618
 
definition and use the notation $\forall \Gamma_P,A'$ for the term $A$.
619
 
\paragraph{Remark.}
620
 
If we have a term $t$ in an instance of an
621
 
inductive definition $I$ which starts with a constructor $c$, then the
622
 
$r$ first arguments of $c$ (the parameters) can be deduced from the
623
 
type $T$ of $t$: these are exactly the $r$ first arguments of $I$ in
624
 
the head normal form of $T$.
625
 
\paragraph{Examples.}
626
 
The \List{} definition has $1$ parameter:
627
 
\[\NInd{}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:(A:\Set)(\List~A),\cons : (A:\Set)A
628
 
  \ra (\List~A) \ra (\List~A)}\]
629
 
This is also the case for this more complex definition where there is
630
 
a recursive argument on a different instance of \List: 
631
 
\[\NInd{}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:(A:\Set)(\List~A),\cons : (A:\Set)A
632
 
           \ra (\List~A\ra A) \ra (\List~A)}\]
633
 
But the following definition has $0$ parameters:
634
 
\[\NInd{}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:(A:\Set)(\List~A),\cons : (A:\Set)A
635
 
           \ra (\List~A) \ra (\List~A*A)}\]
636
 
 
637
 
%\footnote{
638
 
%The interested reader may compare the above definition with the two 
639
 
%following ones which have very different logical meaning:\\
640
 
%$\NInd{}{\List:\Set}{\Nil:\List,\cons : (A:\Set)A
641
 
%  \ra \List \ra \List}$ \\
642
 
%$\NInd{}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:(A:\Set)(\List~A),\cons : (A:\Set)A
643
 
%  \ra (\List~A\ra A) \ra (\List~A)}$.}
644
 
\paragraph{Concrete syntax.}
645
 
In the Coq system, the context of parameters is given explicitly
646
 
after the name of the inductive definitions and is shared between the
647
 
arities and the type of constructors.
648
 
% The vernacular declaration of polymorphic trees and forests will be:\\
649
 
% \begin{coq_example*}
650
 
% Inductive Tree (A:Set) : Set := 
651
 
%    Node : A -> Forest A -> Tree A
652
 
% with Forest (A : Set) : Set := 
653
 
%    Empty : Forest A
654
 
%  | Cons  : Tree A -> Forest A -> Forest A
655
 
% \end{coq_example*}
656
 
% will correspond in our formalism to:
657
 
% \[\NInd{}{{\tt Tree}:\Set\ra\Set;{\tt Forest}:\Set\ra \Set}
658
 
%   {{\tt Node} : \forall A:\Set, A \ra {\tt Forest}~A \ra {\tt Tree}~A,
659
 
%    {\tt Empty} : \forall A:\Set, {\tt Forest}~A,
660
 
%    {\tt Cons} : \forall A:\Set, {\tt Tree}~A \ra {\tt Forest}~A \ra
661
 
%    {\tt Forest}~A}\]
662
 
We keep track in the syntax of the number of
663
 
parameters. 
664
 
 
665
 
Formally the representation of an inductive declaration
666
 
will be 
667
 
\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C} for an inductive
668
 
definition valid in a context $\Gamma$ with $p$ parameters, a
669
 
context of definitions $\Gamma_I$ and a context of constructors
670
 
$\Gamma_C$.
671
 
 
672
 
The definition \Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C} will be
673
 
well-formed exactly when \NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C} is and 
674
 
when $p$ is (less or equal than) the number of parameters in
675
 
\NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C}. 
676
 
 
677
 
\paragraph{Examples}
678
 
The declaration for parameterized lists is:
679
 
\[\Ind{}{1}{\List:\Set\ra\Set}{\Nil:\forall A:\Set,\List~A,\cons : \forall
680
 
  A:\Set, A \ra \List~A \ra   \List~A}\]
681
 
 
682
 
The declaration for the length of lists is:
683
 
\[\Ind{}{1}{\Length:\forall A:\Set, (\List~A)\ra \nat\ra\Prop}
684
 
      {\LNil:\forall A:\Set, \Length~A~(\Nil~A)~\nO,\\ 
685
 
     \LCons :\forall A:\Set,\forall a:A, \forall l:(\List~A),\forall n:\nat, (\Length~A~l~n)\ra (\Length~A~(\cons~A~a~l)~(\nS~n))}\]
686
 
 
687
 
The declaration for a mutual inductive definition of forests and trees is:
688
 
\[\NInd{}{\tree:\Set,\forest:\Set}
689
 
      {\\~~\node:\forest \ra \tree,
690
 
       \emptyf:\forest,\consf:\tree \ra \forest \ra \forest\-}\]
691
 
  
692
 
These representations are the ones obtained as the result of the \Coq\ 
693
 
declaration:
694
 
\begin{coq_example*}
695
 
Inductive nat : Set :=
696
 
  | O : nat
697
 
  | S : nat -> nat.
698
 
Inductive list (A:Set) : Set :=
699
 
  | nil : list A
700
 
  | cons : A -> list A -> list A.
701
 
\end{coq_example*}
702
 
\begin{coq_example*}
703
 
Inductive Length (A:Set) : list A -> nat -> Prop :=
704
 
  | Lnil : Length A (nil A) O
705
 
  | Lcons :
706
 
      forall (a:A) (l:list A) (n:nat),
707
 
        Length A l n -> Length A (cons A a l) (S n).
708
 
Inductive tree : Set :=
709
 
    node : forest -> tree
710
 
with forest : Set :=
711
 
  | emptyf : forest
712
 
  | consf : tree -> forest -> forest.
713
 
\end{coq_example*}
714
 
% The inductive declaration in \Coq\ is slightly different from the one
715
 
% we described theoretically. The difference is that in the type of
716
 
% constructors the inductive definition is explicitly applied to the
717
 
% parameters variables.
718
 
The \Coq\ type-checker verifies that all
719
 
parameters are applied in the correct manner in the conclusion of the
720
 
type of each constructors~:
721
 
 
722
 
In particular, the following definition will not be accepted because 
723
 
there is an occurrence of \List\ which is not applied to the parameter
724
 
variable in the conclusion of the type of {\tt cons'}:
725
 
\begin{coq_eval}
726
 
Set Printing Depth 50.
727
 
(********** The following is not correct and should produce **********)
728
 
(********* Error: The 1st argument of list' must be A in ... *********)
729
 
\end{coq_eval}
730
 
\begin{coq_example}
731
 
Inductive list' (A:Set) : Set :=
732
 
  | nil' : list' A
733
 
  | cons' : A -> list' A -> list' (A*A).
734
 
\end{coq_example}
735
 
Since \Coq{} version 8.1, there is no restriction about parameters in
736
 
the types of arguments of constructors. The following definition is
737
 
valid:
738
 
\begin{coq_example}
739
 
Inductive list' (A:Set) : Set :=
740
 
  | nil' : list' A
741
 
  | cons' : A -> list' (A->A) -> list' A.
742
 
\end{coq_example}
743
 
 
744
 
 
745
 
\subsection{Types of inductive objects}
746
 
We have to give the type of constants in an environment $E$ which
747
 
contains an inductive declaration.
748
 
 
749
 
\begin{description}
750
 
\item[Ind-Const] Assuming 
751
 
  $\Gamma_I$ is $[I_1:A_1;\ldots;I_k:A_k]$, and $\Gamma_C$ is
752
 
  $[c_1:C_1;\ldots;c_n:C_n]$,
753
 
   
754
 
\inference{\frac{\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C} \in E
755
 
    ~~j=1\ldots k}{(I_j:A_j) \in E}}
756
 
 
757
 
\inference{\frac{\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C} \in E
758
 
    ~~~~i=1.. n}
759
 
   {(c_i:C_i) \in E}}
760
 
\end{description}
761
 
 
762
 
\paragraph{Example.}
763
 
We have $(\List:\Set \ra \Set), (\cons:\forall~A:\Set,A\ra(\List~A)\ra
764
 
(\List~A))$, \\ 
765
 
$(\Length:\forall~A:\Set, (\List~A)\ra\nat\ra\Prop)$, $\tree:\Set$ and $\forest:\Set$.
766
 
 
767
 
From now on, we write $\ListA$ instead of $(\List~A)$ and $\LengthA$
768
 
for $(\Length~A)$.
769
 
 
770
 
%\paragraph{Parameters.}
771
 
%%The parameters introduce a distortion between the inside specification
772
 
%%of the inductive declaration where parameters are supposed to be
773
 
%%instantiated (this representation is appropriate for checking the
774
 
%%correctness or deriving the destructor principle) and the outside
775
 
%%typing rules where the inductive objects are seen as objects
776
 
%%abstracted with respect to the parameters.
777
 
 
778
 
%In the definition of \List\ or \Length\, $A$ is a parameter because
779
 
%what is effectively inductively defined is $\ListA$ or $\LengthA$ for
780
 
%a given $A$ which is constant in the type of constructors.  But when
781
 
%we define $(\LengthA~l~n)$, $l$ and $n$ are not parameters because the
782
 
%constructors manipulate different instances of this family.
783
 
 
784
 
\subsection{Well-formed inductive definitions}
785
 
We cannot accept any inductive declaration because some of them lead
786
 
to inconsistent systems. We restrict ourselves to definitions which
787
 
satisfy a syntactic criterion of positivity. Before giving the formal
788
 
rules, we need a few definitions:
789
 
 
790
 
\paragraph{Definitions}\index{Positivity}\label{Positivity}
791
 
 
792
 
A type $T$ is an {\em arity of sort $s$}\index{Arity} if it converts
793
 
to the sort $s$ or to a product $\forall~x:T,U$ with $U$ an arity
794
 
of sort $s$. (For instance $A\ra \Set$ or $\forall~A:\Prop,A\ra
795
 
\Prop$ are arities of sort respectively \Set\ and \Prop).  A {\em type
796
 
  of constructor of $I$}\index{Type of constructor} is either a term
797
 
$(I~t_1\ldots ~t_n)$ or $\fa x:T,C$ with $C$ a {\em type of constructor
798
 
  of $I$}.
799
 
 
800
 
\smallskip
801
 
 
802
 
The type of constructor $T$ will be said to {\em satisfy the positivity
803
 
condition} for a constant $X$ in the following cases:
804
 
 
805
 
\begin{itemize}
806
 
\item $T=(X~t_1\ldots ~t_n)$ and $X$ does not occur free in
807
 
any $t_i$
808
 
\item $T=\forall~x:U,V$ and $X$ occurs only strictly positively in $U$ and
809
 
the type $V$ satisfies the positivity condition for $X$
810
 
\end{itemize}
811
 
 
812
 
The constant $X$ {\em occurs strictly positively} in $T$ in the
813
 
following cases:
814
 
 
815
 
\begin{itemize}
816
 
\item $X$ does not occur in $T$
817
 
\item $T$ converts to $(X~t_1 \ldots ~t_n)$ and $X$ does not occur in
818
 
  any of $t_i$
819
 
\item $T$ converts to $\forall~x:U,V$ and $X$ does not occur in
820
 
  type $U$ but occurs strictly positively in type $V$
821
 
\item $T$ converts to $(I~a_1 \ldots ~a_m ~ t_1 \ldots ~t_p)$ where
822
 
  $I$ is the name of an inductive declaration of the form
823
 
  $\Ind{\Gamma}{m}{I:A}{c_1:\forall p_1:P_1,\ldots \forall
824
 
    p_m:P_m,C_1;\ldots;c_n:\forall p_1:P_1,\ldots \forall
825
 
    p_m:P_m,C_n}$ 
826
 
  (in particular, it is not mutually defined and it has $m$
827
 
  parameters) and $X$ does not occur in any of the $t_i$, and the
828
 
  (instantiated) types of constructor $C_i\{p_j/a_j\}_{j=1\ldots m}$
829
 
  of $I$ satisfy 
830
 
  the nested positivity condition for $X$
831
 
%\item more generally, when $T$ is not a type, $X$ occurs strictly
832
 
%positively in $T[x:U]u$ if $X$ does not occur in $U$ but occurs
833
 
%strictly positively in $u$
834
 
\end{itemize}
835
 
 
836
 
The type of constructor $T$ of $I$ {\em satisfies the nested
837
 
positivity condition} for a constant $X$ in the following
838
 
cases:
839
 
 
840
 
\begin{itemize}
841
 
\item $T=(I~b_1\ldots b_m~u_1\ldots ~u_{p})$, $I$ is an inductive
842
 
  definition with $m$ parameters and $X$ does not occur in
843
 
any $u_i$
844
 
\item $T=\forall~x:U,V$ and $X$ occurs only strictly positively in $U$ and
845
 
the type $V$ satisfies the nested positivity condition for $X$
846
 
\end{itemize}
847
 
 
848
 
\paragraph{Example}
849
 
 
850
 
$X$ occurs strictly positively in $A\ra X$ or $X*A$ or $({\tt list}~
851
 
X)$ but not in $X \ra A$ or $(X \ra A)\ra A$ nor $({\tt neg}~A)$
852
 
assuming the notion of product and lists were already defined and {\tt
853
 
  neg} is an inductive definition with declaration \Ind{}{A:\Set}{{\tt
854
 
    neg}:\Set}{{\tt neg}:(A\ra{\tt False}) \ra {\tt neg}}.  Assuming
855
 
$X$ has arity ${\tt nat \ra Prop}$ and {\tt ex} is the inductively
856
 
defined existential quantifier, the occurrence of $X$ in ${\tt (ex~
857
 
  nat~ \lb~n:nat\mto (X~ n))}$ is also strictly positive.
858
 
 
859
 
\paragraph{Correctness rules.}
860
 
We shall now describe the rules allowing the introduction of a new
861
 
inductive definition.
862
 
 
863
 
\begin{description}
864
 
\item[W-Ind] Let $E$ be an environment and
865
 
  $\Gamma,\Gamma_P,\Gamma_I,\Gamma_C$ are contexts such that
866
 
  $\Gamma_I$ is $[I_1:\forall \Gamma_P,A_1;\ldots;I_k:\forall
867
 
  \Gamma_P,A_k]$ and $\Gamma_C$ is 
868
 
  $[c_1:\forall \Gamma_P,C_1;\ldots;c_n:\forall \Gamma_P,C_n]$. 
869
 
\inference{
870
 
  \frac{
871
 
  (\WTE{\Gamma;\Gamma_P}{A_j}{s'_j})_{j=1\ldots  k}
872
 
  ~~ (\WTE{\Gamma;\Gamma_I;\Gamma_P}{C_i}{s_{p_i}})_{i=1\ldots  n}
873
 
}
874
 
  {\WF{E;\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C}}{\Gamma}}}
875
 
provided that the following side conditions hold:
876
 
\begin{itemize}
877
 
\item $k>0$, $I_j$, $c_i$ are different names for $j=1\ldots  k$ and $i=1\ldots  n$,
878
 
\item $p$ is the number of parameters of \NInd{\Gamma}{\Gamma_I}{\Gamma_C}
879
 
  and $\Gamma_P$ is the context of parameters, 
880
 
\item for $j=1\ldots  k$ we have $A_j$ is an arity of sort $s_j$ and $I_j
881
 
  \notin \Gamma \cup E$,
882
 
\item for $i=1\ldots  n$ we have $C_i$ is a type of constructor of
883
 
  $I_{p_i}$ which satisfies the positivity condition for $I_1 \ldots  I_k$
884
 
  and $c_i \notin \Gamma \cup E$.
885
 
\end{itemize}
886
 
\end{description}
887
 
One can remark that there is a constraint between the sort of the
888
 
arity of the inductive type and the sort of the type of its
889
 
constructors which will always be satisfied for the impredicative sort
890
 
(\Prop) but may fail to define inductive definition 
891
 
on sort \Set{} and generate constraints between universes for
892
 
inductive definitions in the {\Type} hierarchy.
893
 
 
894
 
\paragraph{Examples.}
895
 
It is well known that existential quantifier can be encoded as an
896
 
inductive definition.
897
 
The following declaration introduces the second-order existential
898
 
quantifier $\exists X.P(X)$.
899
 
\begin{coq_example*}
900
 
Inductive exProp (P:Prop->Prop) : Prop 
901
 
  := exP_intro : forall X:Prop, P X -> exProp P.
902
 
\end{coq_example*}
903
 
The same definition on \Set{} is not allowed and fails~:
904
 
\begin{coq_eval}
905
 
(********** The following is not correct and should produce **********)
906
 
(*** Error: Large non-propositional inductive types must be in Type***)
907
 
\end{coq_eval}
908
 
\begin{coq_example}
909
 
Inductive exSet (P:Set->Prop) : Set 
910
 
  := exS_intro : forall X:Set, P X -> exSet P.
911
 
\end{coq_example}
912
 
It is possible to declare the same inductive definition in the
913
 
universe \Type. 
914
 
The \texttt{exType} inductive definition has type  $(\Type_i \ra\Prop)\ra
915
 
\Type_j$ with the constraint that the parameter \texttt{X} of \texttt{exT\_intro} has type $\Type_k$ with $k<j$ and $k\leq i$.
916
 
\begin{coq_example*}
917
 
Inductive exType (P:Type->Prop) : Type
918
 
  := exT_intro : forall X:Type, P X -> exType P.
919
 
\end{coq_example*}
920
 
%We shall assume for the following definitions that, if necessary, we
921
 
%annotated the type of constructors such that we know if the argument
922
 
%is recursive or not.  We shall write the type $(x:_R T)C$ if it is 
923
 
%a recursive argument and $(x:_P T)C$ if the argument is not recursive.
924
 
 
925
 
\paragraph{Sort-polymorphism of inductive families.}
926
 
\index{Sort-polymorphism of inductive families}
927
 
 
928
 
From {\Coq} version 8.1, inductive families declared in {\Type} are
929
 
polymorphic over their arguments in {\Type}.
930
 
 
931
 
If $A$ is an arity and $s$ a sort, we write $A_{/s}$ for the arity
932
 
obtained from $A$ by replacing its sort with $s$. Especially, if $A$
933
 
is well-typed in some environment and context, then $A_{/s}$ is typable
934
 
by typability of all products in the Calculus of Inductive Constructions.
935
 
The following typing rule is added to the theory.
936
 
 
937
 
\begin{description}
938
 
\item[Ind-Family] Let $\Gamma_P$ be a context of parameters
939
 
$[p_1:P_1;\ldots;p_{m'}:P_{m'}]$ and $m\leq m'$ be the length of the
940
 
initial prefix of parameters that occur unchanged in the recursive
941
 
occurrences of the constructor types. Assume that $\Gamma_I$ is
942
 
$[I_1:\forall \Gamma_P,A_1;\ldots;I_k:\forall \Gamma_P,A_k]$ and
943
 
$\Gamma_C$ is $[c_1:\forall \Gamma_P,C_1;\ldots;c_n:\forall
944
 
\Gamma_P,C_n]$.
945
 
 
946
 
Let $q_1$, \ldots, $q_r$, with $0\leq r\leq m$, be a possibly partial
947
 
instantiation of the parameters in $\Gamma_P$. We have:
948
 
 
949
 
\inference{\frac
950
 
{\left\{\begin{array}{l}
951
 
\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C} \in E\\
952
 
(E[\Gamma] \vdash q_s : P'_s)_{s=1\ldots r}\\
953
 
(E[\Gamma] \vdash \WTEGLECONV{P'_s}{\subst{P_s}{x_u}{q_u}_{u=1\ldots s-1}})_{s=1\ldots r}\\
954
 
1 \leq j \leq k
955
 
\end{array}
956
 
\right.}
957
 
{(I_j\,q_1\,\ldots\,q_r:\forall \Gamma^{r+1}_p, (A_j)_{/s})}
958
 
}
959
 
 
960
 
provided that the following side conditions hold:
961
 
 
962
 
\begin{itemize}
963
 
\item $\Gamma_{P'}$ is the context obtained from $\Gamma_P$ by
964
 
replacing, each $P_s$ that is an arity with the
965
 
sort of $P'_s$, as soon as $1\leq s \leq r$ (notice that
966
 
$P_s$ arity implies $P'_s$ arity since $E[\Gamma]
967
 
\vdash \WTEGLECONV{P'_s}{ \subst{P_s}{x_u}{q_u}_{u=1\ldots s-1}}$);
968
 
\item there are sorts $s_i$, for $1 \leq i \leq k$ such that, for
969
 
 $\Gamma_{I'}$ obtained from $\Gamma_I$ by changing each $A_i$ by $(A_i)_{/s_i}$,
970
 
we have $(\WTE{\Gamma;\Gamma_{I'};\Gamma_{P'}}{C_i}{s_{p_i}})_{i=1\ldots  n}$;
971
 
\item the sorts are such that all elimination are allowed (see
972
 
section~\ref{elimdep}).
973
 
\end{itemize}
974
 
\end{description}
975
 
 
976
 
Notice that if $I_j\,q_1\,\ldots\,q_r$ is typable using the rules {\bf
977
 
Ind-Const} and {\bf App}, then it is typable using the rule {\bf
978
 
Ind-Family}. Conversely, the extended theory is not stronger than the
979
 
theory without {\bf Ind-Family}. We get an equiconsistency result by
980
 
mapping each $\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C}$ occurring into a
981
 
given derivation into as many fresh inductive types and constructors
982
 
as the number of different (partial) replacements of sorts, needed for
983
 
this derivation, in the parameters that are arities. That is, the
984
 
changes in the types of each partial instance $q_1\,\ldots\,q_r$ can
985
 
be characterized by the ordered sets of arity sorts among the types of
986
 
parameters, and to each signature is associated a new inductive
987
 
definition with fresh names. Conversion is preserved as any (partial)
988
 
instance $I_j\,q_1\,\ldots\,q_r$ or $C_i\,q_1\,\ldots\,q_r$ is mapped
989
 
to the names chosen in the specific instance of
990
 
$\Ind{\Gamma}{p}{\Gamma_I}{\Gamma_C}$.
991
 
 
992
 
\newcommand{\Single}{\mbox{\textsf{Set}}}
993
 
 
994
 
In practice, the rule is used by {\Coq} only with in case the
995
 
inductive type is declared with an arity of a sort in the $\Type$
996
 
hierarchy, and, then, the polymorphism is over the parameters whose
997
 
type is an arity in the {\Type} hierarchy. The sort $s_j$ are then
998
 
chosen canonically so that each $s_j$ is minimal with respect to the
999
 
hierarchy ${\Prop_u}\subset{\Set_p}\subset\Type$ where $\Set_p$ is
1000
 
predicative {\Set}, and ${\Prop_u}$ is the sort of small singleton
1001
 
inductive types (i.e. of inductive types with one single constructor
1002
 
and that contains either proofs or inhabitants of singleton types
1003
 
only). More precisely, a small singleton inductive family is set in
1004
 
{\Prop}, a small non singleton inductive family is set in {\Set} (even
1005
 
in case {\Set} is impredicative -- see section~\ref{impredicativity}),
1006
 
and otherwise in the {\Type} hierarchy.
1007
 
% TODO: clarify the case of a partial application ??
1008
 
 
1009
 
Note that the side-condition about allowed elimination sorts in the
1010
 
rule~{\bf Ind-Family} is just to avoid to recompute the allowed
1011
 
elimination sorts at each instance of a pattern-matching (see
1012
 
section~\ref{elimdep}).
1013
 
 
1014
 
As an example, let us consider the following definition:
1015
 
\begin{coq_example*}
1016
 
Inductive option (A:Type) : Type := 
1017
 
| None : option A 
1018
 
| Some : A -> option A.
1019
 
\end{coq_example*}
1020
 
 
1021
 
As the definition is set in the {\Type} hierarchy, it is used
1022
 
polymorphically over its parameters whose types are arities of a sort
1023
 
in the {\Type} hierarchy. Here, the parameter $A$ has this property,
1024
 
hence, if \texttt{option} is applied to a type in {\Set}, the result is
1025
 
in {\Set}. Note that if \texttt{option} is applied to a type in {\Prop},
1026
 
then, the result is not set in \texttt{Prop} but in \texttt{Set}
1027
 
still. This is because \texttt{option} is not a singleton type (see
1028
 
section~\ref{singleton}) and it would loose the elimination to {\Set} and
1029
 
{\Type} if set in {\Prop}.
1030
 
 
1031
 
\begin{coq_example}
1032
 
Check (fun A:Set => option A).
1033
 
Check (fun A:Prop => option A).
1034
 
\end{coq_example}
1035
 
 
1036
 
Here is another example.
1037
 
 
1038
 
\begin{coq_example*}
1039
 
Inductive prod (A B:Type) : Type := pair : A -> B -> prod A B.
1040
 
\end{coq_example*}
1041
 
 
1042
 
As \texttt{prod} is a singleton type, it will be in {\Prop} if applied
1043
 
twice to propositions, in {\Set} if applied twice to at least one type
1044
 
in {\Set} and none in {\Type}, and in {\Type} otherwise. In all cases,
1045
 
the three kind of eliminations schemes are allowed.
1046
 
 
1047
 
\begin{coq_example}
1048
 
Check (fun A:Set => prod A).
1049
 
Check (fun A:Prop => prod A A).
1050
 
Check (fun (A:Prop) (B:Set) => prod A B).
1051
 
Check (fun (A:Type) (B:Prop) => prod A B).
1052
 
\end{coq_example}
1053
 
 
1054
 
\subsection{Destructors}
1055
 
The specification of inductive definitions with arities and
1056
 
constructors is quite natural.  But we still have to say how to use an
1057
 
object in an inductive type.
1058
 
 
1059
 
This problem is rather delicate. There are actually several different
1060
 
ways to do that. Some of them are logically equivalent but not always
1061
 
equivalent from the computational point of view or from the user point
1062
 
of view.
1063
 
 
1064
 
From the computational point of view, we want to be able to define a
1065
 
function whose domain is an inductively defined type by using a
1066
 
combination of case analysis over the possible constructors of the
1067
 
object and recursion.
1068
 
 
1069
 
Because we need to keep a consistent theory and also we prefer to keep
1070
 
a strongly normalizing reduction, we cannot accept any sort of
1071
 
recursion (even terminating). So the basic idea is to restrict
1072
 
ourselves to primitive recursive functions and functionals.
1073
 
 
1074
 
For instance, assuming a parameter $A:\Set$ exists in the context, we
1075
 
want to build a function \length\ of type $\ListA\ra \nat$ which
1076
 
computes the length of the list, so such that $(\length~(\Nil~A)) = \nO$
1077
 
and $(\length~(\cons~A~a~l)) = (\nS~(\length~l))$.  We want these
1078
 
equalities to be recognized implicitly and taken into account in the
1079
 
conversion rule.
1080
 
 
1081
 
From the logical point of view, we have built a type family by giving
1082
 
a set of constructors.  We want to capture the fact that we do not
1083
 
have any other way to build an object in this type. So when trying to
1084
 
prove a property $(P~m)$ for $m$ in an inductive definition it is
1085
 
enough to enumerate all the cases where $m$ starts with a different
1086
 
constructor.
1087
 
 
1088
 
In case the inductive definition is effectively a recursive one, we
1089
 
want to capture the extra property that we have built the smallest
1090
 
fixed point of this recursive equation.  This says that we are only
1091
 
manipulating finite objects. This analysis provides induction
1092
 
principles.
1093
 
 
1094
 
For instance, in order to prove $\forall l:\ListA,(\LengthA~l~(\length~l))$
1095
 
it is enough to prove:
1096
 
 
1097
 
\noindent $(\LengthA~(\Nil~A)~(\length~(\Nil~A)))$ and
1098
 
 
1099
 
\smallskip
1100
 
$\forall a:A, \forall l:\ListA, (\LengthA~l~(\length~l)) \ra
1101
 
(\LengthA~(\cons~A~a~l)~(\length~(\cons~A~a~l)))$.
1102
 
\smallskip
1103
 
 
1104
 
\noindent which given the conversion equalities satisfied by \length\ is the
1105
 
same as proving:
1106
 
$(\LengthA~(\Nil~A)~\nO)$ and $\forall a:A, \forall l:\ListA, 
1107
 
(\LengthA~l~(\length~l)) \ra
1108
 
(\LengthA~(\cons~A~a~l)~(\nS~(\length~l)))$.
1109
 
 
1110
 
One conceptually simple way to do that, following the basic scheme
1111
 
proposed by Martin-L\"of in his Intuitionistic Type Theory, is to
1112
 
introduce for each inductive definition an elimination operator. At
1113
 
the logical level it is a proof of the usual induction principle and
1114
 
at the computational level it implements a generic operator for doing
1115
 
primitive recursion over the structure.
1116
 
 
1117
 
But this operator is rather tedious to implement and use. We choose in
1118
 
this version of Coq to factorize the operator for primitive recursion
1119
 
into two more primitive operations as was first suggested by Th. Coquand
1120
 
in~\cite{Coq92}.  One is the definition by pattern-matching. The second one is a definition by guarded fixpoints. 
1121
 
 
1122
 
\subsubsection{The {\tt match\ldots with \ldots end} construction.}
1123
 
\label{Caseexpr}
1124
 
\index{match@{\tt match\ldots with\ldots end}}
1125
 
 
1126
 
The basic idea of this destructor operation is that we have an object
1127
 
$m$ in an inductive type $I$ and we want to prove a property $(P~m)$
1128
 
which in general depends on $m$. For this, it is enough to prove the
1129
 
property for $m = (c_i~u_1\ldots  u_{p_i})$ for each constructor of $I$.
1130
 
 
1131
 
The \Coq{} term for this proof will be written~:
1132
 
\[\kw{match}~m~\kw{with}~ (c_1~x_{11}~...~x_{1p_1}) \Ra f_1 ~|~\ldots~|~
1133
 
  (c_n~x_{n1}...x_{np_n}) \Ra f_n~ \kw{end}\]
1134
 
In this expression, if
1135
 
$m$ is a term built from a constructor $(c_i~u_1\ldots u_{p_i})$ then
1136
 
the expression will behave as it is specified with $i$-th branch and
1137
 
will reduce to $f_i$ where the $x_{i1}$\ldots $x_{ip_i}$ are replaced
1138
 
by the $u_1\ldots u_p$ according to the $\iota$-reduction.
1139
 
 
1140
 
Actually, for type-checking a \kw{match\ldots with\ldots end}
1141
 
expression we also need to know the predicate $P$ to be proved by case
1142
 
analysis. In the general case where $I$ is an inductively defined
1143
 
$n$-ary relation, $P$ is a $n+1$-ary relation: the $n$ first arguments
1144
 
correspond to the arguments of $I$ (parameters excluded), and the last
1145
 
one corresponds to object $m$. \Coq{} can sometimes infer this
1146
 
predicate but sometimes not. The concrete syntax for describing this
1147
 
predicate uses the \kw{as\ldots in\ldots return} construction. For
1148
 
instance, let us assume that $I$ is an unary predicate with one
1149
 
parameter. The predicate is made explicit using the syntax~:
1150
 
\[\kw{match}~m~\kw{as}~ x~ \kw{in}~ I~\verb!_!~a~ \kw{return}~ (P~ x)
1151
 
 ~\kw{with}~ (c_1~x_{11}~...~x_{1p_1}) \Ra f_1 ~|~\ldots~|~
1152
 
  (c_n~x_{n1}...x_{np_n}) \Ra f_n \kw{end}\]
1153
 
The \kw{as} part can be omitted if either the result type does not
1154
 
depend on $m$ (non-dependent elimination) or $m$ is a variable (in
1155
 
this case, the result type can depend on $m$). The \kw{in} part can be
1156
 
omitted if the result type does not depend on the arguments of
1157
 
$I$. Note that the arguments of $I$ corresponding to parameters
1158
 
\emph{must} be \verb!_!, because the result type is not generalized to
1159
 
all possible values of the parameters. The expression after \kw{in}
1160
 
must be seen as an \emph{inductive type pattern}. As a final remark,
1161
 
expansion of implicit arguments and notations apply to this pattern.
1162
 
 
1163
 
For the purpose of presenting the inference rules, we use a more
1164
 
compact notation~:
1165
 
\[ \Case{(\lb a x \mto P)}{m}{ \lb x_{11}~...~x_{1p_1} \mto f_1 ~|~\ldots~|~
1166
 
  \lb x_{n1}...x_{np_n} \mto f_n}\]
1167
 
 
1168
 
%% CP 06/06 Obsolete avec la nouvelle syntaxe et incompatible avec la
1169
 
%% presentation theorique qui suit
1170
 
% \paragraph{Non-dependent elimination.}
1171
 
%
1172
 
% When defining a function of codomain $C$ by case analysis over an
1173
 
% object in an inductive type $I$, we build an object of type $I
1174
 
% \ra C$. The minimality principle on an inductively defined logical
1175
 
% predicate $I$ of type $A \ra \Prop$ is often used to prove a property
1176
 
% $\forall x:A,(I~x)\ra (C~x)$.  These are particular cases of the dependent
1177
 
% principle that we stated before with a predicate which does not depend
1178
 
% explicitly on the object in the inductive definition.
1179
 
 
1180
 
% For instance, a function testing whether a list is empty 
1181
 
% can be
1182
 
% defined as:
1183
 
% \[\kw{fun} l:\ListA \Ra \kw{match}~l~\kw{with}~ \Nil \Ra \true~
1184
 
% |~(\cons~a~m) \Ra \false \kw{end}\]
1185
 
% represented by
1186
 
% \[\lb~l:\ListA \mto\Case{\bool}{l}{\true~ |~ \lb a~m,~\false}\]
1187
 
%\noindent {\bf Remark. } 
1188
 
 
1189
 
% In the system \Coq\ the expression above, can be
1190
 
% written without mentioning
1191
 
% the dummy abstraction:
1192
 
% \Case{\bool}{l}{\Nil~ \mbox{\tt =>}~\true~ |~ (\cons~a~m)~
1193
 
%  \mbox{\tt =>}~ \false}
1194
 
 
1195
 
\paragraph{Allowed elimination sorts.}
1196
 
 
1197
 
\index{Elimination sorts}
1198
 
 
1199
 
An important question for building the typing rule for \kw{match} is
1200
 
what can be the type of $P$ with respect to the type of the inductive
1201
 
definitions.
1202
 
 
1203
 
We define now a relation \compat{I:A}{B} between an inductive
1204
 
definition $I$ of type $A$ and an arity $B$. This relation states that
1205
 
an object in the inductive definition $I$ can be eliminated for
1206
 
proving a property $P$ of type $B$.
1207
 
 
1208
 
The case of inductive definitions in sorts \Set\ or \Type{} is simple.
1209
 
There is no restriction on the sort of the predicate to be
1210
 
eliminated. 
1211
 
 
1212
 
\paragraph{Notations.}
1213
 
The \compat{I:A}{B} is defined as the smallest relation satisfying the
1214
 
following rules:
1215
 
We write \compat{I}{B} for \compat{I:A}{B} where $A$ is the type of
1216
 
$I$.
1217
 
 
1218
 
\begin{description}
1219
 
\item[Prod] \inference{\frac{\compat{(I~x):A'}{B'}}
1220
 
                      {\compat{I:(x:A)A'}{(x:A)B'}}}
1221
 
\item[\Set \& \Type] \inference{\frac{
1222
 
    s_1 \in \{\Set,\Type(j)\}, 
1223
 
    s_2 \in \Sort}{\compat{I:s_1}{I\ra s_2}}}
1224
 
\end{description}
1225
 
 
1226
 
The case of Inductive definitions of sort \Prop{} is a bit more
1227
 
complicated, because of our interpretation of this sort. The only
1228
 
harmless allowed elimination, is the one when predicate $P$ is also of
1229
 
sort \Prop.
1230
 
\begin{description}
1231
 
\item[\Prop] \inference{\compat{I:\Prop}{I\ra\Prop}}
1232
 
\end{description}
1233
 
\Prop{} is the type of logical propositions, the proofs of properties
1234
 
$P$ in \Prop{} could not be used for computation and are consequently
1235
 
ignored by the extraction mechanism.
1236
 
Assume $A$ and $B$ are two propositions, and the logical disjunction
1237
 
$A\vee B$ is defined inductively by~:
1238
 
\begin{coq_example*}
1239
 
Inductive or (A B:Prop) : Prop :=
1240
 
  lintro : A -> or A B | rintro : B -> or A B.
1241
 
\end{coq_example*}
1242
 
The following definition which computes a boolean value by case over
1243
 
the proof of \texttt{or A B} is not accepted~:
1244
 
\begin{coq_eval}
1245
 
(***************************************************************)
1246
 
(*** This example should fail with ``Incorrect elimination'' ***)
1247
 
\end{coq_eval}
1248
 
\begin{coq_example}
1249
 
Definition choice (A B: Prop) (x:or A B) := 
1250
 
   match x with lintro a => true | rintro b => false end.
1251
 
\end{coq_example}
1252
 
From the computational point of view, the structure of the proof of
1253
 
\texttt{(or A B)} in this term is needed for computing the boolean
1254
 
value.
1255
 
 
1256
 
In general, if $I$ has type \Prop\ then $P$ cannot have type $I\ra
1257
 
\Set$, because it will mean to build an informative proof of type
1258
 
$(P~m)$ doing a case analysis over a non-computational object that
1259
 
will disappear in the extracted program.  But the other way is safe
1260
 
with respect to our interpretation we can have $I$ a computational
1261
 
object and $P$ a non-computational one, it just corresponds to proving
1262
 
a logical property of a computational object.
1263
 
 
1264
 
% Also if $I$ is in one of the sorts \{\Prop, \Set\}, one cannot in
1265
 
% general allow an elimination over a bigger sort such as \Type.  But
1266
 
% this operation is safe whenever $I$ is a {\em small inductive} type,
1267
 
% which means that all the types of constructors of
1268
 
% $I$ are small with the following definition:\\
1269
 
% $(I~t_1\ldots t_s)$ is a {\em small type of constructor} and
1270
 
% $\forall~x:T,C$ is a small type of constructor if $C$ is and if $T$
1271
 
% has type \Prop\ or \Set.  \index{Small inductive type}
1272
 
 
1273
 
% We call this particular elimination which gives the possibility to
1274
 
% compute a type by induction on the structure of a term, a {\em strong
1275
 
%   elimination}\index{Strong elimination}.
1276
 
 
1277
 
In the same spirit, elimination on $P$ of type $I\ra
1278
 
\Type$ cannot be allowed because it trivially implies the elimination
1279
 
on $P$ of type $I\ra \Set$ by cumulativity. It also implies that there
1280
 
is two proofs of the same property which are provably different,
1281
 
contradicting the proof-irrelevance property which is sometimes a
1282
 
useful axiom~:
1283
 
\begin{coq_example}
1284
 
Axiom proof_irrelevance : forall (P : Prop) (x y : P), x=y.
1285
 
\end{coq_example}
1286
 
\begin{coq_eval}
1287
 
Reset proof_irrelevance.
1288
 
\end{coq_eval}
1289
 
The elimination of an inductive definition of type \Prop\ on a
1290
 
predicate $P$ of type $I\ra \Type$ leads to a paradox when applied to 
1291
 
impredicative inductive definition like the second-order existential
1292
 
quantifier \texttt{exProp} defined above, because it give access to
1293
 
the two projections on this type.
1294
 
 
1295
 
%\paragraph{Warning: strong elimination}
1296
 
%\index{Elimination!Strong elimination}
1297
 
%In previous versions of Coq, for a small inductive definition, only the
1298
 
%non-informative strong elimination on \Type\ was allowed, because
1299
 
%strong elimination on \Typeset\ was not compatible with the current
1300
 
%extraction procedure. In this version, strong elimination on \Typeset\
1301
 
%is accepted but a dummy element is extracted from it and may generate
1302
 
%problems if extracted terms are explicitly used such as in the 
1303
 
%{\tt Program} tactic or when extracting ML programs.
1304
 
 
1305
 
\paragraph{Empty and singleton elimination}
1306
 
\label{singleton}
1307
 
\index{Elimination!Singleton elimination}
1308
 
\index{Elimination!Empty elimination}
1309
 
 
1310
 
There are special inductive definitions in \Prop\ for which more
1311
 
eliminations are allowed. 
1312
 
\begin{description}
1313
 
\item[\Prop-extended] 
1314
 
\inference{
1315
 
   \frac{I \mbox{~is an empty or singleton
1316
 
       definition}~~~s \in \Sort}{\compat{I:\Prop}{I\ra s}}
1317
 
}
1318
 
\end{description}
1319
 
 
1320
 
% A {\em singleton definition} has always an informative content,
1321
 
% even if it is a proposition.
1322
 
 
1323
 
A {\em singleton
1324
 
definition} has only one constructor and all the arguments of this
1325
 
constructor have type \Prop. In that case, there is a canonical
1326
 
way to interpret the informative extraction on an object in that type,
1327
 
such that the elimination on any sort $s$ is legal.  Typical examples are
1328
 
the conjunction of non-informative propositions and the equality. 
1329
 
If there is an hypothesis $h:a=b$ in the context, it can be used for
1330
 
rewriting not only in logical propositions but also in any type.
1331
 
% In that case, the term \verb!eq_rec! which was defined as an axiom, is
1332
 
% now a term of the calculus.
1333
 
\begin{coq_example}
1334
 
Print eq_rec.
1335
 
Extraction eq_rec.
1336
 
\end{coq_example}
1337
 
An empty definition has no constructors, in that case also,
1338
 
elimination on any sort is allowed.
1339
 
 
1340
 
\paragraph{Type of branches.}
1341
 
Let $c$ be a term of type $C$, we assume $C$ is a type of constructor
1342
 
for an inductive definition $I$. Let $P$ be a term that represents the
1343
 
property to be proved.
1344
 
We assume $r$ is the number of parameters.
1345
 
 
1346
 
We define a new type \CI{c:C}{P} which represents the type of the
1347
 
branch corresponding to the $c:C$ constructor.
1348
 
\[
1349
 
\begin{array}{ll}
1350
 
\CI{c:(I_i~p_1\ldots p_r\ t_1 \ldots t_p)}{P} &\equiv (P~t_1\ldots ~t_p~c) \\[2mm]
1351
 
\CI{c:\forall~x:T,C}{P} &\equiv \forall~x:T,\CI{(c~x):C}{P} 
1352
 
\end{array}
1353
 
\]
1354
 
We write \CI{c}{P} for \CI{c:C}{P} with $C$ the type of $c$.
1355
 
 
1356
 
\paragraph{Examples.}
1357
 
For $\ListA$ the type of $P$ will be $\ListA\ra s$ for $s \in \Sort$. \\ 
1358
 
$ \CI{(\cons~A)}{P} \equiv
1359
 
\forall a:A, \forall l:\ListA,(P~(\cons~A~a~l))$.
1360
 
 
1361
 
For $\LengthA$, the type of $P$ will be
1362
 
$\forall l:\ListA,\forall n:\nat, (\LengthA~l~n)\ra \Prop$ and the expression
1363
 
\CI{(\LCons~A)}{P} is defined as:\\ 
1364
 
$\forall a:A, \forall l:\ListA, \forall n:\nat, \forall
1365
 
h:(\LengthA~l~n), (P~(\cons~A~a~l)~(\nS~n)~(\LCons~A~a~l~n~l))$.\\ 
1366
 
If $P$ does not depend on its third argument, we find the more natural
1367
 
expression:\\ 
1368
 
$\forall a:A, \forall l:\ListA, \forall n:\nat,
1369
 
(\LengthA~l~n)\ra(P~(\cons~A~a~l)~(\nS~n))$.
1370
 
 
1371
 
\paragraph{Typing rule.}
1372
 
 
1373
 
Our very general destructor for inductive definition enjoys the
1374
 
following typing rule
1375
 
% , where we write 
1376
 
% \[
1377
 
% \Case{P}{c}{[x_{11}:T_{11}]\ldots[x_{1p_1}:T_{1p_1}]g_1\ldots
1378
 
%   [x_{n1}:T_{n1}]\ldots[x_{np_n}:T_{np_n}]g_n}
1379
 
% \]
1380
 
% for 
1381
 
% \[
1382
 
% \Case{P}{c}{(c_1~x_{11}~...~x_{1p_1}) \Ra g_1 ~|~\ldots~|~
1383
 
% (c_n~x_{n1}...x_{np_n}) \Ra g_n }
1384
 
% \]
1385
 
 
1386
 
\begin{description}
1387
 
\item[match] \label{elimdep} \index{Typing rules!match}
1388
 
\inference{
1389
 
\frac{\WTEG{c}{(I~q_1\ldots  q_r~t_1\ldots  t_s)}~~
1390
 
  \WTEG{P}{B}~~\compat{(I~q_1\ldots  q_r)}{B}
1391
 
 ~~
1392
 
(\WTEG{f_i}{\CI{(c_{p_i}~q_1\ldots  q_r)}{P}})_{i=1\ldots  l}}
1393
 
{\WTEG{\Case{P}{c}{f_1|\ldots  |f_l}}{(P\ t_1\ldots  t_s\ c)}}}%\\[3mm]
1394
 
 
1395
 
provided $I$ is an inductive type in a declaration
1396
 
\Ind{\Delta}{r}{\Gamma_I}{\Gamma_C} with 
1397
 
$\Gamma_C = [c_1:C_1;\ldots;c_n:C_n]$ and $c_{p_1}\ldots  c_{p_l}$ are the
1398
 
only constructors of $I$.
1399
 
\end{description}
1400
 
 
1401
 
\paragraph{Example.}
1402
 
For \List\ and \Length\ the typing rules for the {\tt match} expression
1403
 
are (writing just $t:M$ instead of \WTEG{t}{M}, the environment and
1404
 
context being the same in all the judgments).
1405
 
 
1406
 
\[\frac{l:\ListA~~P:\ListA\ra s~~~f_1:(P~(\Nil~A))~~
1407
 
      f_2:\forall a:A, \forall l:\ListA, (P~(\cons~A~a~l))}
1408
 
    {\Case{P}{l}{f_1~|~f_2}:(P~l)}\]
1409
 
 
1410
 
\[\frac{
1411
 
     \begin{array}[b]{@{}c@{}} 
1412
 
H:(\LengthA~L~N) \\ P:\forall l:\ListA, \forall n:\nat, (\LengthA~l~n)\ra
1413
 
  \Prop\\
1414
 
 f_1:(P~(\Nil~A)~\nO~\LNil) \\
1415
 
   f_2:\forall a:A, \forall l:\ListA, \forall n:\nat, \forall
1416
 
  h:(\LengthA~l~n), (P~(\cons~A~a~n)~(\nS~n)~(\LCons~A~a~l~n~h)) 
1417
 
      \end{array}}
1418
 
    {\Case{P}{H}{f_1~|~f_2}:(P~L~N~H)}\]
1419
 
 
1420
 
\paragraph{Definition of $\iota$-reduction.}\label{iotared}
1421
 
\index{iota-reduction@$\iota$-reduction}
1422
 
We still have to define the $\iota$-reduction in the general case.
1423
 
 
1424
 
A $\iota$-redex is a term of the following form:
1425
 
\[\Case{P}{(c_{p_i}~q_1\ldots  q_r~a_1\ldots  a_m)}{f_1|\ldots |
1426
 
    f_l}\]
1427
 
with $c_{p_i}$ the $i$-th constructor of the inductive type $I$ with $r$
1428
 
parameters.
1429
 
 
1430
 
The $\iota$-contraction of this term is $(f_i~a_1\ldots a_m)$ leading
1431
 
to the general reduction rule:
1432
 
\[ \Case{P}{(c_{p_i}~q_1\ldots  q_r~a_1\ldots  a_m)}{f_1|\ldots |
1433
 
    f_n} \triangleright_{\iota} (f_i~a_1\ldots a_m) \]
1434
 
 
1435
 
\subsection{Fixpoint definitions}
1436
 
\label{Fix-term} \index{Fix@{\tt Fix}}
1437
 
The second operator for elimination is fixpoint definition. 
1438
 
This fixpoint may involve several mutually recursive definitions.
1439
 
The basic concrete syntax for a recursive set of mutually recursive 
1440
 
declarations is (with $\Gamma_i$ contexts)~: 
1441
 
\[\kw{fix}~f_1 (\Gamma_1) :A_1:=t_1~\kw{with} \ldots \kw{with}~ f_n
1442
 
(\Gamma_n) :A_n:=t_n\]
1443
 
The terms are obtained by projections from this set of declarations
1444
 
and are written 
1445
 
\[\kw{fix}~f_1 (\Gamma_1) :A_1:=t_1~\kw{with} \ldots \kw{with}~ f_n
1446
 
(\Gamma_n) :A_n:=t_n~\kw{for}~f_i\]
1447
 
In the inference rules, we represent such a
1448
 
term by 
1449
 
\[\Fix{f_i}{f_1:A_1':=t_1' \ldots f_n:A_n':=t_n'}\]
1450
 
with $t_i'$ (resp. $A_i'$) representing the term $t_i$ abstracted
1451
 
(resp. generalized) with
1452
 
respect to the bindings in the context $\Gamma_i$, namely
1453
 
$t_i'=\lb \Gamma_i \mto t_i$ and $A_i'=\forall \Gamma_i, A_i$.
1454
 
 
1455
 
\subsubsection{Typing rule}
1456
 
The typing rule is the expected one for a fixpoint.
1457
 
 
1458
 
\begin{description}
1459
 
\item[Fix] \index{Typing rules!Fix}
1460
 
\inference{\frac{(\WTEG{A_i}{s_i})_{i=1\ldots n}~~~~
1461
 
            (\WTE{\Gamma,f_1:A_1,\ldots,f_n:A_n}{t_i}{A_i})_{i=1\ldots n}}
1462
 
         {\WTEG{\Fix{f_i}{f_1:A_1:=t_1 \ldots f_n:A_n:=t_n}}{A_i}}}
1463
 
\end{description}
1464
 
 
1465
 
Any fixpoint definition cannot be accepted because non-normalizing terms
1466
 
will lead to proofs of absurdity.
1467
 
 
1468
 
The basic scheme of recursion that should be allowed is the one needed for 
1469
 
defining primitive
1470
 
recursive functionals. In that case the fixpoint enjoys a special
1471
 
syntactic restriction, namely one of the arguments belongs to an
1472
 
inductive type, the function starts with a case analysis and recursive
1473
 
calls are done on variables coming from patterns and representing subterms.
1474
 
 
1475
 
For instance in the case of natural numbers, a proof of the induction
1476
 
principle of type 
1477
 
\[\forall P:\nat\ra\Prop, (P~\nO)\ra(\forall n:\nat, (P~n)\ra(P~(\nS~n)))\ra
1478
 
\forall n:\nat, (P~n)\]
1479
 
can be represented by the term:
1480
 
\[\begin{array}{l}
1481
 
\lb P:\nat\ra\Prop\mto\lb f:(P~\nO)\mto \lb g:(\forall n:\nat,
1482
 
(P~n)\ra(P~(\nS~n))) \mto\\
1483
 
\Fix{h}{h:\forall n:\nat, (P~n):=\lb n:\nat\mto \Case{P}{n}{f~|~\lb
1484
 
    p:\nat\mto (g~p~(h~p))}}
1485
 
\end{array}
1486
 
\]
1487
 
 
1488
 
Before accepting a fixpoint definition as being correctly typed, we
1489
 
check that the definition is ``guarded''. A precise analysis of this
1490
 
notion can be found in~\cite{Gim94}.
1491
 
 
1492
 
The first stage is to precise on which argument the fixpoint will be
1493
 
decreasing. The type of this argument should be an inductive
1494
 
definition.
1495
 
 
1496
 
For doing this the syntax of fixpoints is extended and becomes 
1497
 
 \[\Fix{f_i}{f_1/k_1:A_1:=t_1 \ldots f_n/k_n:A_n:=t_n}\]
1498
 
where $k_i$ are positive integers.
1499
 
Each $A_i$ should be a type (reducible to a term) starting with at least
1500
 
$k_i$ products $\forall y_1:B_1,\ldots \forall y_{k_i}:B_{k_i}, A'_i$ 
1501
 
and $B_{k_i}$
1502
 
being an instance of an inductive definition.
1503
 
 
1504
 
Now in the definition $t_i$, if $f_j$ occurs then it should be applied
1505
 
to at least $k_j$ arguments and the $k_j$-th argument should be
1506
 
syntactically recognized as structurally smaller than $y_{k_i}$
1507
 
 
1508
 
 
1509
 
The definition of being structurally smaller is a bit technical.
1510
 
One needs first to  define the notion of 
1511
 
{\em recursive arguments of a constructor}\index{Recursive arguments}.
1512
 
For an inductive definition \Ind{\Gamma}{r}{\Gamma_I}{\Gamma_C},
1513
 
the type of a constructor $c$ has the form
1514
 
$\forall p_1:P_1,\ldots \forall p_r:P_r, 
1515
 
\forall x_1:T_1, \ldots \forall x_r:T_r, (I_j~p_1\ldots 
1516
 
p_r~t_1\ldots  t_s)$ the recursive arguments will correspond to $T_i$ in
1517
 
which one of the $I_l$ occurs.
1518
 
 
1519
 
 
1520
 
The main rules for being structurally smaller are the following:\\
1521
 
Given a variable $y$ of type an inductive
1522
 
definition in a declaration 
1523
 
\Ind{\Gamma}{r}{\Gamma_I}{\Gamma_C}
1524
 
where $\Gamma_I$ is $[I_1:A_1;\ldots;I_k:A_k]$, and $\Gamma_C$ is
1525
 
  $[c_1:C_1;\ldots;c_n:C_n]$.
1526
 
The terms structurally smaller than $y$ are:
1527
 
\begin{itemize}
1528
 
\item $(t~u), \lb x:u \mto t$ when $t$ is structurally smaller than $y$ .
1529
 
\item \Case{P}{c}{f_1\ldots f_n} when each $f_i$ is structurally
1530
 
  smaller than $y$. \\
1531
 
  If $c$ is $y$ or is structurally smaller than $y$, its type is an inductive
1532
 
  definition $I_p$ part of the inductive
1533
 
  declaration corresponding to $y$. 
1534
 
  Each $f_i$ corresponds to a type of constructor $C_q \equiv
1535
 
  \forall p_1:P_1,\ldots,\forall p_r:P_r, \forall y_1:B_1, \ldots \forall y_k:B_k, (I~a_1\ldots a_k)$ 
1536
 
  and can consequently be
1537
 
  written $\lb y_1:B'_1\mto \ldots \lb y_k:B'_k\mto g_i$.
1538
 
  ($B'_i$ is obtained from $B_i$ by substituting parameters variables)
1539
 
  the variables $y_j$ occurring
1540
 
  in $g_i$ corresponding to recursive arguments $B_i$ (the ones in
1541
 
  which one of the $I_l$ occurs) are structurally smaller than $y$.
1542
 
\end{itemize}
1543
 
The following definitions are correct, we enter them using the
1544
 
{\tt Fixpoint} command as described in section~\ref{Fixpoint} and show
1545
 
the internal representation.
1546
 
\begin{coq_example}
1547
 
Fixpoint plus (n m:nat) {struct n} : nat :=
1548
 
  match n with
1549
 
  | O => m
1550
 
  | S p => S (plus p m)
1551
 
  end.
1552
 
Print plus.
1553
 
Fixpoint lgth (A:Set) (l:list A) {struct l} : nat :=
1554
 
  match l with
1555
 
  | nil => O
1556
 
  | cons a l' => S (lgth A l')
1557
 
  end.
1558
 
Print lgth.
1559
 
Fixpoint sizet (t:tree) : nat := let (f) := t in S (sizef f)
1560
 
 with sizef (f:forest) : nat :=
1561
 
  match f with
1562
 
  | emptyf => O
1563
 
  | consf t f => plus (sizet t) (sizef f)
1564
 
  end.
1565
 
Print sizet.
1566
 
\end{coq_example}
1567
 
 
1568
 
 
1569
 
\subsubsection{Reduction rule}
1570
 
\index{iota-reduction@$\iota$-reduction}
1571
 
Let $F$ be the set of declarations: $f_1/k_1:A_1:=t_1 \ldots
1572
 
f_n/k_n:A_n:=t_n$.
1573
 
The reduction for fixpoints is:
1574
 
\[ (\Fix{f_i}{F}~a_1\ldots
1575
 
a_{k_i}) \triangleright_{\iota} \substs{t_i}{f_k}{\Fix{f_k}{F}}{k=1\ldots n}\]
1576
 
when $a_{k_i}$ starts with a constructor.
1577
 
This last restriction is needed in order to keep strong normalization
1578
 
and corresponds to the reduction for primitive recursive operators.
1579
 
 
1580
 
We can illustrate this behavior on examples.
1581
 
\begin{coq_example}
1582
 
Goal forall n m:nat, plus (S n) m = S (plus n m).
1583
 
reflexivity.
1584
 
Abort.
1585
 
Goal forall f:forest, sizet (node f) = S (sizef f).
1586
 
reflexivity.
1587
 
Abort.
1588
 
\end{coq_example}
1589
 
But assuming the definition of a son function from \tree\ to \forest:
1590
 
\begin{coq_example}
1591
 
Definition sont (t:tree) : forest 
1592
 
   := let (f) := t in f.
1593
 
\end{coq_example}
1594
 
The following is not a conversion but can be proved after a case analysis.
1595
 
\begin{coq_eval}
1596
 
(******************************************************************)
1597
 
(** Error: Impossible to unify ....                              **)
1598
 
\end{coq_eval}
1599
 
\begin{coq_example}
1600
 
Goal forall t:tree, sizet t = S (sizef (sont t)).
1601
 
reflexivity. (** this one fails **)
1602
 
destruct t.
1603
 
reflexivity.
1604
 
\end{coq_example}
1605
 
\begin{coq_eval}
1606
 
Abort.
1607
 
\end{coq_eval}
1608
 
 
1609
 
% La disparition de Program devrait rendre la construction Match obsolete
1610
 
% \subsubsection{The {\tt Match \ldots with \ldots end} expression}
1611
 
% \label{Matchexpr}
1612
 
% %\paragraph{A unary {\tt Match\ldots with \ldots end}.}
1613
 
% \index{Match...with...end@{\tt Match \ldots with \ldots end}}
1614
 
% The {\tt Match} operator which was a primitive notion in older
1615
 
% presentations of the Calculus of Inductive Constructions is now just a
1616
 
% macro definition which generates the good combination of {\tt Case}
1617
 
% and {\tt Fix} operators in order to generate an operator for primitive
1618
 
% recursive definitions. It always considers an inductive definition as 
1619
 
% a single inductive definition.
1620
 
 
1621
 
% The following examples illustrates this feature.
1622
 
% \begin{coq_example}
1623
 
% Definition nat_pr : (C:Set)C->(nat->C->C)->nat->C 
1624
 
%   :=[C,x,g,n]Match n with x g end.
1625
 
% Print nat_pr.
1626
 
% \end{coq_example}
1627
 
% \begin{coq_example}
1628
 
% Definition forest_pr 
1629
 
%   : (C:Set)C->(tree->forest->C->C)->forest->C
1630
 
%   := [C,x,g,n]Match n with x g end.
1631
 
% \end{coq_example}
1632
 
 
1633
 
% Cet exemple faisait error (HH le 12/12/96), j'ai change pour une
1634
 
% version plus simple
1635
 
%\begin{coq_example}
1636
 
%Definition forest_pr 
1637
 
%  : (P:forest->Set)(P emptyf)->((t:tree)(f:forest)(P f)->(P (consf t f)))
1638
 
%    ->(f:forest)(P f)
1639
 
%  := [C,x,g,n]Match n with x g end.
1640
 
%\end{coq_example}
1641
 
 
1642
 
\subsubsection{Mutual induction}
1643
 
 
1644
 
The principles of mutual induction can be automatically generated 
1645
 
using the {\tt Scheme} command described in section~\ref{Scheme}.
1646
 
 
1647
 
\section{Coinductive types}
1648
 
The implementation contains also coinductive definitions, which are
1649
 
types inhabited by infinite objects. 
1650
 
More information on coinductive definitions can be found
1651
 
in~\cite{Gimenez95b,Gim98,GimCas05}.
1652
 
%They are described in chapter~\ref{Coinductives}.
1653
 
 
1654
 
\section{\iCIC : the Calculus of Inductive Construction with
1655
 
  impredicative \Set}\label{impredicativity}
1656
 
 
1657
 
\Coq{} can be used as a type-checker for \iCIC{}, the original 
1658
 
Calculus of Inductive Constructions with an impredicative sort \Set{}
1659
 
by using the compiler option \texttt{-impredicative-set}.
1660
 
 
1661
 
For example, using the ordinary \texttt{coqtop} command, the following
1662
 
is rejected.
1663
 
\begin{coq_eval}
1664
 
(** This example should fail *******************************
1665
 
    Error: The term forall X:Set, X -> X has type Type
1666
 
    while it is expected to have type Set
1667
 
***)
1668
 
\end{coq_eval}
1669
 
\begin{coq_example}
1670
 
Definition id: Set := forall X:Set,X->X.
1671
 
\end{coq_example}
1672
 
while it will type-check, if one use instead the \texttt{coqtop
1673
 
  -impredicative-set} command.
1674
 
 
1675
 
The major change in the theory concerns the rule for product formation
1676
 
in the sort \Set, which is extended to a domain in any sort~:
1677
 
\begin{description}
1678
 
\item [Prod]  \index{Typing rules!Prod (impredicative Set)}
1679
 
\inference{\frac{\WTEG{T}{s}~~~~s \in \Sort~~~~~~
1680
 
    \WTE{\Gamma::(x:T)}{U}{\Set}}
1681
 
      { \WTEG{\forall~x:T,U}{\Set}}} 
1682
 
\end{description}
1683
 
This extension has consequences on the inductive definitions which are
1684
 
allowed. 
1685
 
In the impredicative system, one can build so-called {\em large inductive
1686
 
  definitions} like the example of second-order existential
1687
 
quantifier (\texttt{exSet}).
1688
 
 
1689
 
There should be restrictions on the eliminations which can be
1690
 
performed on such definitions. The eliminations rules in the
1691
 
impredicative system for sort \Set{} become~:
1692
 
\begin{description}
1693
 
\item[\Set] \inference{\frac{s \in
1694
 
      \{\Prop, \Set\}}{\compat{I:\Set}{I\ra s}}
1695
 
~~~~\frac{I \mbox{~is a small inductive definition}~~~~s \in
1696
 
      \{\Type(i)\}}
1697
 
         {\compat{I:\Set}{I\ra s}}}
1698
 
\end{description}
1699
 
     
1700
 
 
1701
 
 
1702
 
% $Id: RefMan-cic.tex 9306 2006-10-28 18:28:19Z herbelin $ 
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%%% Local Variables: 
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%%% mode: latex
1706
 
%%% TeX-master: "Reference-Manual"
1707
 
%%% End: 
1708
 
 
1709