1 \documentclass[11pt,a4paper,headline,headcount,towside,nocenter]{report}
5 %\grmn@dq@error ...and \dq \string #1 is undefined}
6 %l.989 ...tch the problem type \\{\tt["squareroot",
8 \bibliographystyle{alpha}
10 \def\isac{${\cal I}\mkern-2mu{\cal S}\mkern-5mu{\cal AC}$}
12 \title{\isac --- Interface for\\
13 Developers of Math Knowledge\\[1.0ex]
15 Tools for Experiments in\\
16 Symbolic Computation\\[1.0ex]}
17 \author{The \isac-Team\\
18 \tt isac-users@ist.tugraz.at\\[1.0ex]}
30 \section{``Authoring'' und ``Tutoring''}
31 {TO DO} Mathematik lernen -- verschiedene Autoren -- Isabelle
32 Die Grundlage f\"ur \isac{} bildet Isabelle. Dies ist ein ``theorem prover'', der von L. Paulson und T. Nipkow entwickelt wird und Hard- und Software pr\"uft.
33 \section{Der Inhalt des Dokuments}
34 \paragraph{TO DO} {Als Anleitung:} Dieses Dokument beschreibt das Kerngebiet (KE) von \isac{}, das Gebiet der mathematics engine (ME) im Kerngebiet und die verschiedenen Funktionen wie das Umschreiben und der Vergleich.
36 \isac{} und KE wurden in SML geschrieben, die Sprache in Verbindung mit dem Vorg\"anger des Theorem Provers Isabelle entwickelt. So kam es, dass in diesem Dokument die Ebene ASCII als SML Code pr\"asentiert wird. Der Leser wird vermutlich erkennen, dass der \isac{} Benutzer eine vollkommen andere Sichtweise auf eine grafische Benutzeroberfl\"ache bekommt.
38 Das Dokument ist eigenst\"andig; Basiswissen \"uber SML (für eine Einf\"uhrung siehe \cite{Paulson:91}), Terme und Umschreibung wird vorrausgesetzt.
40 %The interfaces will be moderately exended during the first phase of development of the mathematics knowledge. The work on the subprojects defined should {\em not} create interfaces of any interest to a user or another author of knowledge except identifiers (of type string) for theorems, rulesets etc.
42 Hinweis: SML Code, Verzeichnis, Dateien sind {\tt in 'tt' geschrieben}; besonders in {\tt ML>} ist das Kerngebiet schnell.
44 \paragraph{Versuchen Sie es!} Ein weiteres Anliegen dieses Textes ist, dem Leser Tipps f\"ur Versuche mit den Anwendungen zu geben.
46 \section{Gleich am Computer ausprobieren!}\label{get-started}
47 \paragraph{TO DO screenshot} Bevor Sie mit Ihren Versuchen beginnen, m\"ochten wir Ihnen noch einige Hinweise geben.
50 \item Shell aufmachen und die Datei mat-eng-de.sml \"offnen.
51 \item $>$ : Hinter diesem Zeichen (``Prompt'') stehen jene, die Sie selbst eingeben bzw. mit Copy und Paste aus der Datei kopieren.
52 \item Die Eingabe wird mit ``;'' und ``Enter'' abgeschlossen.
53 \item Zeilen, die nicht mit Prompt beginnen, werden vom Computer ausgegeben.
57 \part{Experimentelle Ann\"aherung}
59 \chapter{Terme und Theorien}
60 Wie bereits erw\"ahnt, geht es um Computer-Mathematik. In den letzten Jahren hat die ``computer science'' grosse Fortschritte darin gemacht, Mathematik auf dem Computer verst\"andlich darzustellen. Dies gilt f\"ur mathematische Formeln, f\"ur die Beschreibung von Problem (behandelt in Abs.\ref{pbl}), f\"ur L\"osungsmethoden (behandelt in Abs.\ref{met}) etc. Wir beginnen mit mathematischen Formeln --- gleich zum Ausprobieren wie in Abs.\ref{get-started} oben vorbereitet.
62 \section{Von der Formel zum Term}
63 Um ein Beispiel zu nennen: Die Formel $a+b\cdot 3$ l\"asst sich in lesbarer Form so eingeben:
64 {\footnotesize\begin{verbatim}
66 val it = "a + b * 3" : string
68 \noindent ``a + b * 3'' ist also ein String (=Zeichenfolge). In dieser Form weiss der Computer nicht, dass z.B. eine Multiplikation {\em vor} einer Addition zu rechnen ist. Isabelle braucht Formeln in einer anderen Form; Diese kann man mit der Funktion ``str2term'' (= string to term) umrechnen:
69 {\footnotesize\begin{verbatim}
70 > str2term "a + b * 3";
72 Const ("op +", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
73 Free ("a", "RealDef.real") $
74 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $ ... $
77 \noindent Jene Form braucht Isabelle intern zum rechnen. Sie heisst Term und ist nicht lesbar, daf\"ur aber speicherbar mit Hilfe von ``val'' (=value)
78 {\footnotesize\begin{verbatim}
79 > val term = str2term "a + b * 3";
81 Const ("op +", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
82 Free ("a", "RealDef.real") $
83 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $ ... $
86 Der gespeicherte Term kann einer Funktion ``atomty'' \"ubergeben werden, die jenen in einer abstrakten Struktur zeigt:
87 {\footnotesize\begin{verbatim}
91 *** Const (op +, [real, real] => real)
93 *** . Const (op *, [real, real] => real)
94 *** . . Free (b, real)
95 *** . . Free (3, real)
102 \section{``Theory'' und ``Parsing``}
103 Die theory gibt an, welcher Ausdruck wo steht. Eine derzeitige theory wird intern als \texttt{thy} gekennzeichnet. Jene theory, die alles Wissen ent\"ahlt ist \isac{}.
105 {\footnotesize\begin{verbatim}
108 {ProtoPure, CPure, HOL, Set, Typedef, Fun, Product_Type, Lfp, Gfp,
109 Sum_Type, Relation, Record, Inductive, Transitive_Closure,
110 Wellfounded_Recursion, NatDef, Nat, NatArith, Divides, Power,
111 SetInterval, Finite_Set, Equiv, IntDef, Int, Datatype_Universe,
112 Datatype, Numeral, Bin, IntArith, Wellfounded_Relations, Recdef, IntDiv,
113 IntPower, NatBin, NatSimprocs, Relation_Power, PreList, List, Map,
114 Hilbert_Choice, Main, Lubs, PNat, PRat, PReal, RealDef, RealOrd,
115 RealInt, RealBin, RealArith0, RealArith, RComplete, RealAbs, RealPow,
116 Ring_and_Field, Complex_Numbers, Real, ListG, Tools, Script, Typefix,
117 Float, ComplexI, Descript, Atools, Simplify, Poly, Rational, PolyMinus,
118 Equation, LinEq, Root, RootEq, RatEq, RootRat, RootRatEq, PolyEq, Vect,
119 Calculus, Trig, LogExp, Diff, DiffApp, Integrate, EqSystem, Biegelinie,
120 AlgEin, Test, Isac} : Theory.theory
122 Die, die ein Mal enth\"alt ist groups.thy. Suchen Sie nach '*' unter der Adresse:
124 http://www.cl.cam.ac.uk/research/hvg/Isabelle/dist/library/HOL/Groups.html
125 Hier wird Ihnen erkl\"art, wie das Mal vom Computer gelesen wird.
126 {\footnotesize\begin{verbatim}
128 fixes f :: "'a => 'a => 'a" (infixl "*" 70)
129 assumes assoc [ac_simps]: "a * b * c = a * (b * c)"
131 Der ''infix`` ist der Operator, der zwischen zwei Argumenten steht. 70 bedeutet, dass Mal eine hohe Priorit\"at hat (bei einem Plus liegt der Wert bei 50 oder 60).
133 Parsing entsteht durch einen string und eine theory. Es verwendet Informationen, die in der theory von Isabelle enthalten sind.
134 {\footnotesize\begin{verbatim}
136 val it = fn : Theory.theory -> string -> Thm.cterm Library.option
138 Dieser term kann wieder in seine einzelnen Teile zerlegt werden.
139 {\footnotesize\begin{verbatim}
140 > val it = (term_of o the) it;
142 Const ("op +", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
143 Free ("a", "RealDef.real") $
144 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $ ... $
148 \paragraph{Versuchen Sie es!} Das mathematische Wissen w\"achst, indem man zu den Urspr\"ungen schaut. In den folgenden Beispielen werden verschiedene Meldungen genauer erkl\"art.
150 {\footnotesize\begin{verbatim}
152 > parse HOL.thy "2^^^3";
153 *** Inner lexical error at: "^^^3"
154 val it = None : Thm.cterm Library.option
156 ''Inner lexical error`` bedeutet, dass ein Fehler aufgetreten ist, vermutlich hat man sich vertippt.
158 {\footnotesize\begin{verbatim}
160 > parse HOL.thy "d_d x (a + x)";
161 val it = None : Thm.cterm Library.option
163 Fehlt ''Inner lexical error`` wurde der Parse nicht gefunden.
165 {\footnotesize\begin{verbatim}
167 > parse Rational.thy "2^^^3";
168 val it = Some "2 ^^^ 3" : Thm.cterm Library.option
171 {\footnotesize\begin{verbatim}
173 > val Some t4 = parse Rational.thy "d_d x (a + x)";
174 val t4 = "d_d x (a + x)" : Thm.cterm
177 {\footnotesize\begin{verbatim}
179 > val Some t5 = parse Diff.thy "d_d x (a + x)";
180 val t5 = "d_d x (a + x)" : Thm.cterm
183 Der Pase liefert hier einen ''zu sch\"onen`` Ausdruck in Form eines cterms, der wie ein string aussieht. Am verl\"asslichsten sind terme, die sich selbst erzeugen lassen.
185 \section{Details von Termen}
186 Mit Hilfe der darunterliegenden Darstellung sieht man, dass ein cterm in einen term umgewandelt werden kann.
187 {\footnotesize\begin{verbatim}
189 val it = fn : Thm.cterm -> Term.term
191 Durch die Umwandlung eines cterms in einen term sieht man die einzelnen Teile des Terms. ''Free`` bedeutet, dass man die Variable \"andern kann.
192 {\footnotesize\begin{verbatim}
195 Free ("d_d", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $ ... $
199 In diesem Fall sagt uns das ''Const``, dass die Variable eine Konstante ist, also ein Fixwert ist und immer die selbe Funktion hat.
200 {\footnotesize\begin{verbatim}
203 Const ("Diff.d_d", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $ ... $
206 Sollten verschiedene Teile des Output nicht sichtbar sein, kann die Schriftgr\"osse ge\"andert werden.
207 {\footnotesize\begin{verbatim}
209 val it = fn : int -> unit
211 Zuerst gibt man die Schriftgr\"osse ein, danach den term, der gr\"osser werden soll.
212 {\footnotesize\begin{verbatim}
217 Free ("d_d", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
218 Free ("x", "RealDef.real") $
219 (Const ("op +", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
220 Free ("a", "RealDef.real") $ Free ("x", "RealDef.real"))
227 Const ("Diff.d_d", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
228 Free ("x", "RealDef.real") $
229 (Const ("op +", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
230 Free ("a", "RealDef.real") $ Free ("x", "RealDef.real"))
234 Eine andere Variante um den Unterschied der beiden Terme zu sehen ist folgende:
235 {\footnotesize\begin{verbatim}
236 > (*-4-*) val thy = Rational.thy;
238 {ProtoPure, CPure, HOL, Set, Typedef, Fun, Product_Type, Lfp, Gfp,
239 Sum_Type, Relation, Record, Inductive, Transitive_Closure,
240 Wellfounded_Recursion, NatDef, Nat, NatArith, Divides, Power,
241 SetInterval, Finite_Set, Equiv, IntDef, Int, Datatype_Universe,
242 Datatype, Numeral, Bin, IntArith, Wellfounded_Relations, Recdef, IntDiv,
243 IntPower, NatBin, NatSimprocs, Relation_Power, PreList, List, Map,
244 Hilbert_Choice, Main, Lubs, PNat, PRat, PReal, RealDef, RealOrd,
245 RealInt, RealBin, RealArith0, RealArith, RComplete, RealAbs, RealPow,
246 Ring_and_Field, Complex_Numbers, Real, ListG, Tools, Script, Typefix,
247 Float, ComplexI, Descript, Atools, Simplify, Poly, Rational}
249 > ((atomty) o term_of o the o (parse thy)) "d_d x (a + x)";
252 *** Free (d_d, [real, real] => real)
254 *** . Const (op +, [real, real] => real)
255 *** . . Free (a, real)
256 *** . . Free (x, real)
262 > (*-5-*) val thy = Diff.thy;
264 {ProtoPure, CPure, HOL, Set, Typedef, Fun, Product_Type, Lfp, Gfp,
265 Sum_Type, Relation, Record, Inductive, Transitive_Closure,
266 Wellfounded_Recursion, NatDef, Nat, NatArith, Divides, Power,
267 SetInterval, Finite_Set, Equiv, IntDef, Int, Datatype_Universe,
268 Datatype, Numeral, Bin, IntArith, Wellfounded_Relations, Recdef, IntDiv,
269 IntPower, NatBin, NatSimprocs, Relation_Power, PreList, List, Map,
270 Hilbert_Choice, Main, Lubs, PNat, PRat, PReal, RealDef, RealOrd,
271 RealInt, RealBin, RealArith0, RealArith, RComplete, RealAbs, RealPow,
272 Ring_and_Field, Complex_Numbers, Real, Calculus, Trig, ListG, Tools,
273 Script, Typefix, Float, ComplexI, Descript, Atools, Simplify, Poly,
274 Equation, LinEq, Root, RootEq, Rational, RatEq, RootRat, RootRatEq,
275 PolyEq, LogExp, Diff} : Theory.theory
277 > ((atomty) o term_of o the o (parse thy)) "d_d x (a + x)";
280 *** Const (Diff.d_d, [real, real] => real)
282 *** . Const (op +, [real, real] => real)
283 *** . . Free (a, real)
284 *** . . Free (x, real)
291 {\chapter{''Rewriting``}}
293 Bei Rewriting handelt es sich um die Vereinfachung eines Terms in vielen kleinen Schritten und nach bestimmten Regeln. Der Computer wendet dabei hintereinander verschiedene Rechengesetze an, weil er den Term ansonsten nicht l\"osen kann.
295 {\footnotesize\begin{verbatim}
300 ((Term.term * Term.term) list -> Term.term * Term.term -> bool) ->
303 Thm.thm -> Term.term -> (Term.term * Term.term list) Library.option
310 rls' -> bool -> thm' -> cterm' -> (string * string list) Library.option
313 \textbf{Versuchen Sie es!} Um zu sehen, wie der Computer vorgeht und welche Rechengesetze er anwendet, zeigen wir Ihnen durch Differenzieren von (a + a * (2 + b)), die einzelnen Schritte. Sie k\"onnen nat\"urlichauch selbst einige Beispiele ausprobieren!
315 Zuerst legt man fest, dass es sich um eine Differenzierung handelt.
316 {\footnotesize\begin{verbatim}
317 > val thy' = "Diff.thy";
318 val thy' = "Diff.thy" : string
320 Dann gibt man die zu l\"osende Rechnung ein.
321 {\footnotesize\begin{verbatim}
322 > val ct = "d_d x (a + a * (2 + b))";
323 val ct = "d_d x (a + a * (2 + b))" : string
325 Anschließend gibt man bekannt, dass die Summenregel angewandt werden soll.
326 {\footnotesize\begin{verbatim}
327 > val thm = ("diff_sum","");
328 val thm = ("diff_sum", "") : string * string
330 Schliesslich wird die erste Ableitung angezeigt.
331 {\footnotesize\begin{verbatim}
332 > val Some (ct,_) = rewrite_inst thy' "tless_true" "eval_rls" true
333 [("bdv","x::real")] thm ct;#
334 val ct = "d_d x a + d_d x (a * (2 + b))" : cterm'
336 Will man auch die zweite Ableitung sehen, geht man so vor:
337 {\footnotesize\begin{verbatim}
338 > val thm = ("diff_prod_const","");
339 val thm = ("diff_prod_const", "") : string * string
341 Auch die zweite Ableitung wird sichtbar.
342 {\footnotesize\begin{verbatim}
343 > val Some (ct,_) = rewrite_inst thy' "tless_true" "eval_rls" true
344 [("bdv","x::real")] thm ct;#
345 val ct = "d_d x a + a * d_d x (2 + b)" : cterm'
348 {\section{M\"oglichkeiten von Rewriting}
349 Es gibt verscheidene Varianten von Rewriting, die alle eine bestimmte Bedeutung haben.
350 \textit{rewrite\_inst} bedeutet, dass die Liste der Terme vor dem Rewriting durch ein ''Theorem`` (ein mathematischer Begriff f\"ur einen Satz) ersetzt wird.
351 {\footnotesize\begin{verbatim}
358 bool -> 'a -> thm' -> cterm' -> (cterm' * cterm' list) Library.option
360 Mit Hilfe von \textit{rewrite\_set} werden Terme, die normalerweise nur mit einem Thoerem vereinfacht dargestellt werden, mit einem ganzen ''rule set`` (=Regelsatz, weiter unten erkl\"art) umgeschrieben.
361 {\footnotesize\begin{verbatim}
364 : theory' -> bool -> rls' -> cterm' -> (string * string list) Library.option
366 \textit{rewrite\_set\_inst} ist eine Kombination der beiden oben genannten M\"oglichkeiten.
367 {\footnotesize\begin{verbatim}
372 bool -> subs' -> rls' -> cterm' -> (string * string list) Library.option
374 Wenn man sehen m\"ochte, wie Rewriting bei den einzelnen Theorems funktioniert, kann man dies mit \textit{trace\_rewrite} versuchen.
375 {\footnotesize\begin{verbatim}
377 val it = fn : bool ref -> bool
378 > toggle trace_rewrite;
380 > toggle trace_rewrite;
381 val it = false : bool
385 Einige der oben genannten Varianten von Rewriting beziehen sich nicht nur auf einen Theorem, sondern auf einen ganzen Block von Theorems, die man als Rule set bezeichnet.
386 Dieser wird so lange angewendet, bis ein Element davon f\"ur Rewriting verwendet werden kann. Sollte der Begriff ''terminate`` fehlen, wird das Rule set nicht beendet und l\"auft weiter.
387 Ein Beispiel f\"ur einen Regelsatz ist folgendes:
388 \footnotesize\begin{verbatim}
392 \footnotesize\begin{verbatim}
394 val it = "?s = ?t ==> ?t = ?s" : Thm.thm
398 {id = "rearrange_assoc",
399 scr = Script (Free ("empty_script", "RealDef.real")),
409 rew_ord = ("dummy_ord", fn),
419 rew_ord = ("dummy_ord", fn),
422 [Thm ("sym_radd_assoc", "?m1 + (?n1 + ?k1) = ?m1 + ?n1 + ?k1" [.]),
425 "?m1 * (?n1 * ?k1) = ?m1 * ?n1 * ?k1" [.])],
426 rew_ord = ("e_rew_ord", fn),
431 \section{Berechnung von Konstanten}
432 Sobald Konstanten in dem Bereich des Subterms sind, k\"onnen sie von einer Funktion berechnet werden:
433 \footnotesize\begin{verbatim}
441 Term.term -> Theory.theory -> (string * Term.term) Library.option) ->
442 cterm' -> (string * thm') Library.option
451 Term.term -> Theory.theory -> (string * Term.term) Library.option) ->
452 Term.term -> (Term.term * (string * Thm.thm)) Library.option
454 Man bekommt das Ergebnis und die Theorem bezieht sich darauf. Daher sind die folgenden mathematischen Rechnungen m\"oglich:
455 \footnotesize\begin{verbatim}
458 [("Vars", ("Tools.Vars", fn)), ("matches", ("Tools.matches", fn)),
459 ("lhs", ("Tools.lhs", fn)), ("plus", ("op +", fn)),
460 ("times", ("op *", fn)), ("divide_", ("HOL.divide", fn)),
461 ("power_", ("Atools.pow", fn)), ("is_const", ("Atools.is'_const", fn)),
462 ("le", ("op <", fn)), ("leq", ("op <=", fn)),
463 ("ident", ("Atools.ident", fn)), ("sqrt", ("Root.sqrt", fn)),
464 ("Test.is_root_free", ("is'_root'_free", fn)),
465 ("Test.contains_root", ("contains'_root", fn))]
473 Term.term -> Theory.theory -> (string * Term.term) Library.option))) list
475 Diese werden so angewendet:
476 \footnotesize\begin{verbatim}
481 \chapter{Termordnung}
482 Die Anordnungen der Begriffe sind unverzichtbar f\"ur den Gebrauch des Umschreibens von normalen Funktionen und von normalen Formeln, die n\"otig sind um passende Modelle für Probleme zu finden.
484 \section{Beispiel f\"ur Termordnungen}
485 Es ist nicht unbedeutend eine Verbindung $<$ zu Termen herzustellen, die wirklich eine Ordnung besitzen, wie eine \"ubergehende und antisymmetrische Verbindung. Diese Ordnungen sind selbstaufrufende Bahnordnungen.
488 {\footnotesize\begin{verbatim}
490 val it = fn : bool -> Theory.theory -> subst -> Term.term * Term.term -> b ool
492 val it = fn : subst -> Term.term * Term.term -> bool
495 Das bool Argument gibt Ihnen die M\"oglichkeit die Kontrolle zu den zugeh\"origen Unterordunungen zur\"uck zu verfolgen, damit sich die Unterordnungen, die 'true' sind als strings anzeigen lassen.
497 {\section{Geordnetes Rewriting}}
498 Beim Rewriting entstehen Probleme in den meisten elementaren Bereichen. Es gibt ein ''law of commutativity`` das genau solche Probleme mit '+' und '*' verursacht. Diese Probleme können nur durch geordnetes Rewriting gel\"ost werden, da hier ein Term nur umgeschrieben wird, wenn ein kleinerer dadurch entsteht.
499 \paragraph{Versuchen Sie es!} Das geordnete Rewriting ist eine Technik, um ein normales Polynom aus ganzzahligen Termen zu schaffen.
500 Geordnetes Rewriting endet mit Klammern, aber auf Grund der weggelassenen Verbindung.
503 \chapter{Die Hirarchie von Problemen}
504 \section{''Matching``}
505 Matching ist eine Technik von Rewriting, die von \isac verwendet wird, um ein Problem und den passenden Problemtyp daf\"ur zu finden. Die folgende Funktion, die \"uberpr\"uft, ob matching möglich ist, hat diese Signatur:
506 {\footnotesize\begin{verbatim}
508 val it = fn : Theory.theory -> Term.term -> Term.term -> bool
510 Die folgende Gleichung wird in Operatoren und freie Variablen zerlegt.
511 {\footnotesize\begin{verbatim}
512 > val t = (term_of o the o (parse thy)) "3 * x^^^2 = 1";
514 Const ("op =", "[RealDef.real, RealDef.real] => bool") $
515 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
516 Free ("3", "RealDef.real") $
519 "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
520 Free ("x", "RealDef.real") $ Free ("2", " RealDef.real"))) $
521 Free ("1", "RealDef.real") : Term.term
523 Nun wird ein Modell erstellt, das sich nicht auf bestimmte Zahlen bezieht, sondern nur eine generelle Zerlegung durchführt.
524 {\footnotesize\begin{verbatim}
525 > val p = (term_of o the o (parse thy)) "a * b^^^2 = c";
527 Const ("op =", "[RealDef.real, RealDef.real] => bool") $
528 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
529 Free ("a", "RealDef.real") $
532 "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
533 Free ("b", "RealDef.real") $ Free ("2", "RealDef.real"))) $
534 Free ("c", "RealDef.real") : Term.term
536 Dieses Modell enth\"allt sogenannte \textit{scheme variables}.
537 {\footnotesize\begin{verbatim}
541 "*** . Const (op *)""*** . . Free (a, )"
542 "*** . . Const (Atools.pow)"
543 "*** . . . Free (b, )"
544 "*** . . . Free (2, )"
547 val it = "\n" : string
549 Das Modell wird durch den Befehl free2var erstellt.
550 {\footnotesize\begin{verbatim}
552 val it = fn : Term.term -> Term.term
553 > val pat = free2var p;
555 Const ("op =", "[RealDef.real, RealDef.real] => bool") $
556 (Const ("op *", "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
557 Var (("a", 0), "RealDef.real") $
560 "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
561 Var (("b", 0), "RealDef.real") $
562 Free ("2", "RealDef.real"))) $ Var (("c", 0), "RealDef.real")
564 > Sign.string_of_term (sign_of thy) pat;
565 val it = "?a * ?b ^^^ 2 = ?c" : string
567 Durch atomt pat wird der Term aufgespalten und so in eine Form gebracht, die f\"ur die weiteren Schritte ben\"otigt werden.
568 {\footnotesize\begin{verbatim}
573 "*** . . Var ((a, 0), )"
574 "*** . . Const (Atools.pow)"
575 "*** . . . Var ((b, 0), )"
576 "*** . . . Free (2, )"
577 "*** . Var ((c, 0), )"
579 val it = "\n" : string
581 Jetzt kann das Matching f\"ur die beiden vorigen Terme angewendet werden.
582 {\footnotesize\begin{verbatim}
585 > val t2 = (term_of o the o (parse thy)) "x^^^2 = 1";
587 Const ("op =", "[RealDef.real, RealDef.real] => bool") $
590 "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
591 Free ("x", "RealDef.real") $ Free ("2", "RealDef.real")) $
592 Free ("1", "RealDef.real") : Term.term
593 > matches thy t2 pat;
594 val it = false : bool
595 > val pat2 = (term_of o the o (parse thy)) "?u^^^2 = ?v";
597 Const ("op =", "[RealDef.real, RealDef.real] => bool") $
600 "[RealDef.real, RealDef.real] => RealDef.real") $
601 Var (("u", 0), "RealDef.real") $ Free ("2", "RealDef.real")) $
602 Var (("v", 0), "RealDef.real") : Term.term
603 > matches thy t2 pat2;
607 \section{Zugriff auf die Hierarchie}
608 Man verwendet folgenden Befehl, um sich Zugang zur Hierarchie von Problemtypen zu verschaffen.
609 {\footnotesize\begin{verbatim}
611 val it = fn : unit -> unit
615 ["simplification", "polynomial"],
616 ["simplification", "rational"],
617 ["vereinfachen", "polynom", "plus_minus"],
618 ["vereinfachen", "polynom", "klammer"],
619 ["vereinfachen", "polynom", "binom_klammer"],
620 ["probe", "polynom"],
622 ["equation", "univariate", "linear"],
623 ["equation", "univariate", "root", "sq", "rat"],
624 ["equation", "univariate", "root", "normalize"],
625 ["equation", "univariate", "rational"],
626 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_0"],
627 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_1"],
628 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_2", "sq_only"],
629 ["equation", "univariate", "polynomial", "
630 degree_2", "bdv_only"],
631 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_2", "pqFormula"],
632 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_2", "abcFormula"],
633 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_3"],
634 ["equation", "univariate", "polynomial", "degree_4"],
635 ["equation", "univariate", "polynomial", "normalize"],
636 ["equation", "univariate", "expanded", "degree_2"],
637 ["equation", "makeFunctionTo"],
638 ["function", "derivative_of", "named"],
639 ["function", "maximum_of", "on_interval"],
640 ["function", "make", "by_explicit"],
641 ["function", "make", "by_new_variable"],
642 ["function", "integrate", "named"],
643 ["tool", "find_values"],
644 ["system", "linear", "2x2", "triangular"],
645 ["system", "linear", "2x2", "normalize"],
646 ["system", "linear", "3x3"],
647 ["system", "linear", "4x4", "triangular"],
648 ["system", "linear", "4x4", "normalize"],
651 ["Biegelinien", "MomentGegebene"],
652 ["Biegelinien", "einfache"],
653 ["Biegelinien", "QuerkraftUndMomentBestimmte"],
654 ["Biegelinien", "vonBelastungZu"],
655 ["Biegelinien", "setzeRandbedingungen"],
656 ["Berechnung", "numerischSymbolische"],
657 ["test", "equation", "univariate", "linear"],
658 ["test", "equation", "univariate", "plain_square"],
659 ["test", "equation", "univariate", "polynomial", "degree_two", "pq_formula"],
660 ["test", "equation", "univariate", "polynomial", "degree_two", "abc_formula"],
661 ["test", "equation", "univariate", "squareroot"],
662 ["test", "equation", "univariate", "normalize"],
663 ["test", "equation", "univariate", "sqroot-test"]
668 \section{Die passende ''Formalization`` f\"ur den Problemtyp}
669 Eine andere Art des Matching ist es die richtige ''Formalization`` zum jeweiligen Problemtyp zu finden. Wenn es eine ''Formalization`` gibt, dann kann \isac{} selbstst\"andig die Probleme l\"osen.
671 \section{Problem - Refinement}
672 Will man die Hierarchie der Probleme aufstellen, so ist darauf zu achten, dass man die verschiedenen Branches so konstruiert, dass das Problem - Refinement automatisch durchgef\"uhrt werden kann. F\"ur diese Anwendung wird die Hierarchie nach folgenden Regeln aufgestellt:
673 $F$ ist eine Formalization und $P$ und $P_i,\:i=1\cdots n$ sind Problemtypen, wobei $P_i$ ein spezieller Problemtyp ist, im Bezug auf $P$, dann gilt:
676 \item wenn für $F$ der Problemtyp $P_i$ passt, dann passt auch $P$
677 \item wenn zu $F$ der Problemtyp P passt, dann sollte es nicht mehr als ein $P_i$ geben, das zu $F$ passt.
678 \item alle $F$ , die zu $P$ passen, m\"ussen auch zu $P_n$ passen
680 Zuerst ein Beispiel für die ersten zwei Punkte:
681 {\footnotesize\begin{verbatim}
683 val it = fn : fmz_ -> pblID -> SpecifyTools.match list
684 > val fmz = ["equality (sqrt(9 + 4 * x)=sqrt x
686 # "soleFor x","errorBound (eps=0)",
689 ["equality (sqrt(9 + 4 * x)=sqrt x + sqrt (5 + x))", "soleFor x",
690 "errorBound (eps=0)", ...] : string list
691 > refine fmz ["univariate","equation"];
692 *** pass ["equation","univariate"]
693 *** comp_dts: ??.empty $ soleFor x
694 Exception- ERROR raised
696 Wenn die ersten zwei Regeln nicht angewendet werden k\"onnen, wird die dritte verwendet:
697 {\footnotesize\begin{verbatim}
698 > val fmz = ["equality (x + 1 = 2)",
699 # "solveFor x","errorBound (eps=0)",
701 val fmz = ["equality (x + 1 = 2)", "solveFor x", "errorBound (eps=0)", ...]
703 > refine fmz ["univariate","equation"];
704 *** pass ["equation","univariate"]
705 *** pass ["equation","univariate","linear"]
706 *** pass ["equation","univariate","root"]
707 *** pass ["equation","univariate","rational"]
708 *** pass ["equation","univariate","polynomial" ]
709 *** pass ["equation","univariate","polynomial","degree_0"]
710 *** pass ["equation","univariate","polynomial","degree_1"]
711 *** pass ["equation","univariate","polynomial","degree_2"]
712 *** pass ["equation","univariate","polynomial","degree_3"]
713 *** pass ["equation","univariate","polynomial","degree_4"]
714 *** pass ["equation","univariate","polynomial","normalize"]
717 (["univariate", "equation"],
718 {Find = [Correct "solutions L"], With = [...], ...}),
719 NoMatch (["linear", "univariate", ...], {Find = [...], ...}),
720 NoMatch (["root", ...], ...), ...] : SpecifyTools.match list
722 Der Problemtyp $P_n$ verwandelt x + 1 = 2 in die normale Form -1 + x = 0. Diese suche nach der jeweiligen Problemhierarchie kann mit Hilfe von einem ''proof state`` durchgeführt werden (siehe nächstes Kapitel).
726 Methods werden dazu verwendet, Probleme von \texttt{type} zu l\"osen. Sie sind in einer anderen Programmiersprache beschrieben. Die Sprache sieht einfach aus, hat aber im Hintergrund einen enormen Pr\"ufauffwand. So muss sich der Programmierer nicht mit technischen Details befassen, gleichzeitig k\"onnen aber auch keine falschen Anweisungen eingegeben werden.
727 \section{Der ''Syntax`` des Scriptes}
728 Syntax beschreibt den Zusammenhang der einzelnen Zeichen und Zeichenfolgen mit den Theorien.
729 Er kann so definiert werden:
731 123\=123\=expr ::=\=$|\;\;$\=\kill
732 \>script ::= {\tt Script} id arg$\,^*$ = body\\
733 \>\>arg ::= id $\;|\;\;($ ( id :: type ) $)$\\
735 \>\>expr ::= \>\>{\tt let} id = expr $($ ; id = expr$)^*$ {\tt in} expr\\
736 \>\>\>$|\;$\>{\tt if} prop {\tt then} expr {\tt else} expr\\
737 \>\>\>$|\;$\>listexpr\\
739 \>\>\>$|\;$\>seqex id\\
740 \>\>seqex ::= \>\>{\tt While} prop {\tt Do} seqex\\
741 \>\>\>$|\;$\>{\tt Repeat} seqex\\
742 \>\>\>$|\;$\>{\tt Try} seqex\\
743 \>\>\>$|\;$\>seqex {\tt Or} seqex\\
744 \>\>\>$|\;$\>seqex {\tt @@} seqex\\
745 \>\>\>$|\;$\>tac $($ id $|$ listexpr $)^*$\\
750 \section{\"Uberpr\"ufung der Auswertung}
751 Das Kontrollsystem arbeitet mit den folgenden Script-Ausdr\"ucken, die {\it tacticals} genannt werden:
753 \item{{\tt while} prop {\tt Do} expr id}
754 \item{{\tt if} prop {\tt then} expr {\tt else} expr}
756 W\"ahrend die genannten Bezeichnungen das Kontrollsystem durch Auswertung der Formeln ausl\"osen, h\"angen die anderen von der Anwendbarkeit der Formel in den entsprechenden Unterbegriffen ab:
758 \item{{\tt Repeat} expr id}
759 \item{{\tt Try} expr id}
760 \item{expr {\tt Or} expr id}
761 \item{expr {\tt @@} expr id}
767 \chapter{Befehle von \isac{}}
768 In diesem Kapitel werden alle schon zur Verf\"ugung stehenden Schritte aufgelistet. Diese Liste kann sich auf Grund von weiteren Entwicklungen von \isac{} noch \"andern.
769 \newline \textbf{Init\_Proof\_Hid (dialogmode, formalization, specifictaion} gibt die eingegebenen Befehle weiter an die mathematic engine, wobei die beiden letzten Begriffe die Beispiele automatisch speichern. Es ist nicht vorgesehen, dass der Sch\"uler die Taktik verwendet.
770 \newline \textbf{Init\_Proof} bildet mit einem ''proof tree`` ein leeres Modell.
771 \newline \textbf{Model\_Problem problem} bestimmt ein problemtype, das wom\"oglich in der ''hierachy`` gefunden wurde, und verwendet es f\"u das Umformen.
772 \newline \textbf{Add\_Given, Add\_Find, Add\_Relation formula} f\"ugt eine Formel in ein bestimmtes Feld eines Modells ein. Dies ist notwendig, solange noch kein Objekt f\"ur den Benutzer vorhanden ist, in dem man die Formel eingeben kann, und nicht die gew\"unschte Taktik und Formel von einer Liste w\"ahlen will.
773 \newline \textbf{Specify\_Theorie theory, Specify\_Problem proble, Specify\_Method method} gibt das entsprechende Element des Basiswissens an.
774 \newline \textbf{Refine\_Problem problem} sucht nach einem Problem in der hierachy, das auf das vorhandene zutrifft.
775 \newline \textbf{Apply\_Method method} beendet das Modell und die Beschreibung. Danach wird die L\"osungmeldung ge\"offnet.
776 \newline \textbf{Free\_Solve} beginnt eine L\"osungsmeldung ohne die Hilfe eine method.
777 \newline \textbf{Rewrite theorem} bef\"ordert ein theorem in die aktuelle Formel und wandelt es demenetsprechend um. Wenn dies nicht m\"oglich ist, kommt eine Meldung mit ''error``.
778 \newline \textbf{Rewrite\_Asm theorem} hat die gleiche Funktion wie Rewrite, speichert jedoch eine endg\"ultige Vorraussetzung des Theorems, anstatt diese zu sch\"atzen.
779 \newline \textbf{Rewrite\_Set ruleset} hat \"ahnliche Funktionen wie Rewrite, gilt aber f\"ur einen ganzen Satz von Theorems, dem rule set.
780 \newline \textbf{Rewrite\_Inst (substitution, theorem), Rewrite\_Set\_Inst (substitution, rule set)} ist vergleichbar mit besonderen Taktiken, ersetzt aber Konstanten in der Theorem, bevor es zu einer Anwendung kommt.
791 ------------------------------- ALTER TEXT -------------------------------
793 \chapter{Do a calculational proof}
794 First we list all the tactics available so far (this list may be extended during further development of \isac).
796 \section{Tactics for doing steps in calculations}
799 \section{The functionality of the math engine}
800 A proof is being started in the math engine {\tt me} by the tactic
801 \footnote{In the present version a tactic is of type {\tt mstep}.}
802 {\tt Init\_Proof}, and interactively promoted by other tactics. On input of each tactic the {\tt me} returns the resulting formula and the next tactic applicable. The proof is finished, when the {\tt me} proposes {\tt End\_Proof} as the next tactic.
804 We show a calculation (calculational proof) concerning equation solving, where the type of equation is refined automatically: The equation is given by the respective formalization ...
805 {\footnotesize\begin{verbatim}
806 ML> val fmz = ["equality ((x+#1)*(x+#2)=x^^^#2+#8)","solveFor x",
807 "errorBound (eps=#0)","solutions L"];
809 ["equality ((x+#1)*(x+#2)=x^^^#2+#8)","solveFor x","errorBound (eps=#0)",
810 "solutions L"] : string list
812 ML> val spec as (dom, pbt, met) = ("SqRoot.thy",["univariate","equation"],
813 ("SqRoot.thy","no_met"));
814 val dom = "SqRoot.thy" : string
815 val pbt = ["univariate","equation"] : string list
816 val met = ("SqRoot.thy","no_met") : string * string
818 ... and the specification {\tt spec} of a domain {\tt dom}, a problem type {\tt pbt} and a method {\tt met}. Note that the equation is such, that it is not immediatly clear, what type it is in particular (it could be a polynomial of degree 2; but, for sure, the type is some specialized type of a univariate equation). Thus, no method ({\tt no\_met}) can be specified for solving the problem.
820 Nevertheless this specification is sufficient for automatically solving the equation --- the appropriate method will be found by refinement within the hierarchy of problem types.
823 \section{Initialize the calculation}
824 The start of a new proof requires the following initializations: The proof state is given by a proof tree {\tt ptree} and a position {\tt pos'}; both are empty at the beginning. The tactic {\tt Init\_Proof} is, like all other tactics, paired with an identifier of type {\tt string} for technical reasons.
825 {\footnotesize\begin{verbatim}
826 ML> val (mID,m) = ("Init_Proof",Init_Proof (fmz, (dom,pbt,met)));
827 val mID = "Init_Proof" : string
830 (["equality ((x+#1)*(x+#2)=x^^^#2+#8)","solveFor x","errorBound (eps=#0)",
831 "solutions L"],("SqRoot.thy",[#,#],(#,#))) : mstep
833 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me (mID,m) e_pos' c EmptyPtree;
834 val p = ([],Pbl) : pos'
835 val f = Form' (PpcKF (0,EdUndef,0,Nundef,(#,#))) : mout
836 val nxt = ("Refine_Tacitly",Refine_Tacitly ["univariate","equation"])
841 {branch=#,cell=#,env=#,loc=#,meth=#,model=#,origin=#,ostate=#,probl=#,
842 result=#,spec=#},[]) : ptree
844 The mathematics engine {\tt me} returns the resulting formula {\tt f} of type {\tt mout} (which in this case is a problem), the next tactic {\tt nxt}, and a new proof state ({\tt ptree}, {\tt pos'}).
846 We can convince ourselves, that the problem is still empty, by increasing {\tt Compiler.Control.Print.printDepth}:
847 {\footnotesize\begin{verbatim}
848 ML> Compiler.Control.Print.printDepth:=8; (*4 default*)
857 {Find=[Incompl "solutions []"],
858 Given=[Incompl "equality",Incompl "solveFor"],Relate=[],
859 Where=[False "matches (?a = ?b) e_"],With=[]}))) : mout
861 Recall, please, the format of a problem as presented in sect.\ref{pbl} on p.\pageref{pbl}; such an 'empty' problem can be found above encapsulated by several constructors containing additional data (necessary for the dialog guide, not relevant here).\\
863 {\it In the sequel we will omit output of the {\tt me} if it is not important for the respective context}.\\
865 In general, the dialog guide will hide the following two tactics {\tt Refine\_Tacitly} and {\tt Model\_Problem} from the user.
866 {\footnotesize\begin{verbatim}
868 val it = ("Refine_Tacitly",Refine_Tacitly ["univariate","equation"])
871 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
872 val nxt = ("Model_Problem",Model_Problem ["normalize","univariate","equation"])
875 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
879 \section{The phase of modeling}
880 comprises the input of the items of the problem; the {\tt me} can help by use of the formalization tacitly transferred by {\tt Init\_Proof}. In particular, the {\tt me} in general 'knows' the next promising tactic; the first one has been returned by the (hidden) tactic {\tt Model\_Problem}.
882 {\footnotesize\begin{verbatim}
885 ("Add_Given",Add_Given "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)")
888 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
889 val nxt = ("Add_Given",Add_Given "solveFor x") : string * mstep
891 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
892 val nxt = ("Add_Find",Add_Find "solutions L") : string * mstep
894 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
895 val f = Form' (PpcKF (0,EdUndef,0,Nundef,(#,#))) : mout
897 \noindent Now the problem is 'modeled', all items are input. We convince ourselves by increasing {\tt Compiler.Control.Print.printDepth} once more.
898 {\footnotesize\begin{verbatim}
899 ML> Compiler.Control.Print.printDepth:=8;
906 {Find=[Correct "solutions L"],
907 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
908 Correct "solveFor x"],Relate=[],Where=[],With=[]}))) : mout
910 %One of the input items is considered {\tt Superfluous} by the {\tt me} consulting the problem type {\tt ["univariate","equation"]}. The {\tt ErrorBound}, however, could become important in case the equation only could be solved by some iteration method.
912 \section{The phase of specification}
913 This phase provides for explicit determination of the domain, the problem type, and the method to be used. In particular, the search for the appropriate problem type is being supported. There are two tactics for this purpose: {\tt Specify\_Problem} generates feedback on how a candidate of a problem type matches the current problem, and {\tt Refine\_Problem} provides help by the system, if the user gets lost.
914 {\footnotesize\begin{verbatim}
916 val it = ("Specify_Domain",Specify_Domain "SqRoot.thy") : string * mstep
918 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
920 ("Specify_Problem",Specify_Problem ["normalize","univariate","equation"])
925 {branch=#,cell=#,env=#,loc=#,meth=#,model=#,origin=#,ostate=#,probl=#,
926 result=#,spec=#},[]) : ptree
928 The {\tt me} is smart enough to know the appropriate problem type (transferred tacitly with {\tt Init\_Proof}). In order to challenge the student, the dialog guide may hide this information; then the {\tt me} works as follows.
929 {\footnotesize\begin{verbatim}
930 ML> val nxt = ("Specify_Problem",
931 Specify_Problem ["polynomial","univariate","equation"]);
932 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
933 val f = Form' (PpcKF (0,EdUndef,0,Nundef,(#,#))) : mout
935 ("Refine_Problem",Refine_Problem ["normalize","univariate","equation"])
938 ML> val nxt = ("Specify_Problem",
939 Specify_Problem ["linear","univariate","equation"]);
940 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
945 (Problem ["linear","univariate","equation"],
946 {Find=[Correct "solutions L"],
947 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
948 Correct "solveFor x"],Relate=[],
950 "matches (?a + ?b * x = #0) ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)"],
953 Again assuming that the dialog guide hide the next tactic proposed by the {\tt me}, and the student gets lost, {\tt Refine\_Problem} always 'knows' the way out, if applied to the problem type {\tt["univariate","equation"]}.
954 {\footnotesize\begin{verbatim}
955 ML> val nxt = ("Refine_Problem",
956 Refine_Problem ["linear","univariate","equation
957 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
958 val f = Problems (RefinedKF [NoMatch #]) : mout
960 ML> Compiler.Control.Print.printDepth:=9;f;Compiler.Control.Print.printDepth:=4;
965 (["linear","univariate","equation"],
966 {Find=[Correct "solutions L"],
967 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
968 Correct "solveFor x"],Relate=[],
970 "matches (?a + ?b * x = #0) ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)"],
973 ML> val nxt = ("Refine_Problem",Refine_Problem ["univariate","equation"]);
974 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
977 (RefinedKF [Matches #,NoMatch #,NoMatch #,NoMatch #,NoMatch #,Matches #])
981 ML> Compiler.Control.Print.printDepth:=9;f;Compiler.Control.Print.printDepth:=4;
986 (["univariate","equation"],
987 {Find=[Correct "solutions L"],
988 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
989 Correct "solveFor x"],Relate=[],
993 (["linear","univariate","equation"],
994 {Find=[Correct "solutions L"],
995 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
996 Correct "solveFor x"],Relate=[],
998 "matches (?a + ?b * x = #0) ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)"],
1004 (["normalize","univariate","equation"],
1005 {Find=[Correct "solutions L"],
1006 Given=[Correct "equality ((x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8)",
1007 Correct "solveFor x"],Relate=[],Where=[],With=[]})]) : mout
1008 \end{verbatim}}%size
1009 The tactic {\tt Refine\_Problem} returns all matches to problem types along the path traced in the problem hierarchy (anlogously to the authoring tool for refinement in sect.\ref{refine} on p.\pageref{refine}) --- a lot of information to be displayed appropriately in the hiearchy browser~!
1011 \section{The phase of solving}
1012 This phase starts by invoking a method, which acchieves the normal form within two tactics, {\tt Rewrite rnorm\_equation\_add} and {\tt Rewrite\_Set SqRoot\_simplify}:
1013 {\footnotesize\begin{verbatim}
1015 val it = ("Apply_Method",Apply_Method ("SqRoot.thy","norm_univar_equation"))
1018 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1020 Form' (FormKF (~1,EdUndef,1,Nundef,"(x + #1) * (x + #2) = x ^^^ #2 + #8"))
1023 ("rnorm_equation_add","~ ?b =!= #0 ==> (?a = ?b) = (?a + #-1 * ?b = #0)"))
1025 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1027 Form' (FormKF (~1,EdUndef,1,Nundef,
1028 "(x + #1) * (x + #2) + #-1 * (x ^^^ #2 + #8) = #0")) : mout
1029 val nxt = ("Rewrite_Set",Rewrite_Set "SqRoot_simplify") : string * mstep
1031 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1032 val f = Form' (FormKF (~1,EdUndef,1,Nundef,"#-6 + #3 * x = #0")) : mout
1033 val nxt = ("Subproblem",Subproblem ("SqRoot.thy",[#,#])) : string * mstep
1034 \end{verbatim}}%size
1035 Now the normal form {\tt \#-6 + \#3 * x = \#0} is the input to a subproblem, which again allows for specification of the type of equation, and the respective method:
1036 {\footnotesize\begin{verbatim}
1038 val it = ("Subproblem",Subproblem ("SqRoot.thy",["univariate","equation"]))
1040 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1043 (~1,EdUndef,1,Nundef,"Subproblem (SqRoot.thy, [univariate, equation])"))
1045 val nxt = ("Refine_Tacitly",Refine_Tacitly ["univariate","equation"])
1047 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1048 val nxt = ("Model_Problem",Model_Problem ["linear","univariate","equation"])
1049 \end{verbatim}}%size
1050 As required, the tactic {\tt Refine ["univariate","equation"]} selects the appropriate type of equation from the problem hierarchy, which can be seen by the tactic {\tt Model\_Problem ["linear","univariate","equation"]} prosed by the system.
1052 Again the whole phase of modeling and specification follows; we skip it here, and \isac's dialog guide may decide to do so as well.
1055 \section{The final phase: check the post-condition}
1056 The type of problems solved by \isac{} are so-called 'example construction problems' as shown above. The most characteristic point of such a problem is the post-condition. The handling of the post-condition in the given context is an open research question.
1058 Thus the post-condition is just mentioned, in our example for both, the problem and the subproblem:
1059 {\footnotesize\begin{verbatim}
1061 val it = ("Check_Postcond",Check_Postcond ["linear","univariate","equation"])
1063 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1064 val f = Form' (FormKF (~1,EdUndef,1,Nundef,"[x = #2]")) : mout
1066 ("Check_Postcond",Check_Postcond ["normalize","univariate","equation"])
1068 ML> val (p,_,f,nxt,_,pt) = me nxt p [1] pt;
1069 val f = Form' (FormKF (~1,EdUndef,0,Nundef,"[x = #2]")) : mout
1070 val nxt = ("End_Proof'",End_Proof') : string * mstep
1071 \end{verbatim}}%size
1072 The next tactic proposed by the system, {\tt End\_Proof'} indicates that the proof has finished successfully.\\
1074 {\it The tactics proposed by the system need {\em not} be followed by the user; the user is free to choose other tactics, and the system will report, if this is applicable at the respective proof state, or not~! The reader may try out~!}
1078 \part{Systematic description}
1081 \chapter{The structure of the knowledge base}
1083 \section{Tactics and data}
1084 First we view the ME from outside, i.e. we regard tactics and relate them to the knowledge base (KB). W.r.t. the KB we address the atomic items which have to be implemented in detail by the authors of the KB
1085 \footnote{Some of these items are fetched by the tactics from intermediate storage within the ME, and not directly from the KB.}
1086 . The items are listed in alphabetical order in Tab.\ref{kb-items} on p.\pageref{kb-items}.
1088 \caption{Atomic items of the KB} \label{kb-items}
1091 \def\arraystretch{1.0}
1092 \begin{tabular}{lp{9.0cm}}
1093 abbrevation & description \\
1097 & associationlist of the evaluation-functions {\it eval\_fn}\\
1099 & evaluation-function for numerals and for predicates coded in SML\\
1101 & ruleset {\it rls} for simplifying expressions with {\it eval\_fn}s\\
1103 & formalization, i.e. a minimal formula representation of an example \\
1105 & a method, i.e. a datastructure holding all informations for the solving phase ({\it rew\_ord}, {\it scr}, etc.)\\
1107 & reference to a {\it met}\\
1109 & operator as key to an {\it eval\_fn} in a {\it calc\_list}\\
1111 & problem, i.e. a node in the problem-hierarchy\\
1113 & reference to a {\it pbl}\\
1117 & ruleset, i.e. a datastructure holding theorems {\it thm} and operators {\it op} for simplification (with a {\it rew\_ord})\\
1119 & ruleset for 'reverse rewriting' (an \isac-technique generating stepwise rewriting, e.g. for cancelling fractions)\\
1121 & script describing algorithms by tactics, part of a {\it met} \\
1123 & special ruleset calculating a normalform, associated with a {\it thy}\\
1125 & specification, i.e. a tripel ({\it thyID, pblID, metID})\\
1127 & substitution, i.e. a list of variable-value-pairs\\
1129 & Isabelle term, i.e. a formula\\
1135 & reference to a {\it thy} \\
1136 \end{tabular}\end{center}\end{table}
1138 The relations between tactics and data items are shown in Tab.\ref{tac-kb}on p.\pageref{tac-kb}.
1139 {\def\arraystretch{1.2}
1141 \caption{Which tactic uses which KB's item~?} \label{tac-kb}
1144 \begin{tabular}{|ll||cccc|ccc|cccc|} \hline
1145 tactic &input & & & &norm\_& &rew\_&rls &eval\_&eval\_&calc\_& \\
1146 & &thy &scr &Rrls&rls &thm &ord &Rrls&fn &rls &list &dsc\\
1149 &fmz & x & & & x & & & & & & & x \\
1150 &spec & & & & & & & & & & & \\
1152 \multicolumn{13}{|l|}{model phase}\\
1154 Add\_* &term & x & & & x & & & & & & & x \\
1155 FormFK &model & x & & & x & & & & & & & x \\
1157 \multicolumn{13}{|l|}{specify phase}\\
1160 &thyID & x & & & x & & & & x & x & & x \\
1162 &pblID & x & & & x & & & & x & x & & x \\
1164 &pblID & x & & & x & & & & x & x & & x \\
1166 &metID & x & & & x & & & & x & x & & x \\
1168 &metID & x & x & & x & & & & x & x & & x \\
1170 \multicolumn{13}{|l|}{solve phase}\\
1173 &thm & x & x & & & x &met & & x &met & & \\
1175 &thm & x & x & & & x &rls & & x &rls & & \\
1177 &thm & x & x & & & x &Rrls & & x &Rrls & & \\
1179 &rls & x & x & & & & & x & x & x & & \\
1181 &op & x & x & & & & & & & & x & \\
1183 &subs & x & & & x & & & & & & & \\
1184 & & & & & & & & & & & & \\
1186 &spec & x & x & & x & & & & x & x & & x \\
1187 &fmz & & & & & & & & & & & \\
1189 \end{tabular}\end{center}\end{table}
1192 \section{\isac's theories}
1193 \isac's theories build upon Isabelles theories for high-order-logic (HOL) up to the respective development of real numbers ({\tt HOL/Real}). Theories have a special format defined in \cite{Isa-ref} and the suffix {\tt *.thy}; usually theories are paired with SML-files having the same filename and the suffix {\tt *.ML}.
1195 \isac's theories represent the deductive part of \isac's knowledge base, the hierarchy of theories is structured accordingly. The {\tt *.ML}-files, however, contain {\em all} data of the other two axes of the knowledge base, the problems and the methods (without presenting their respective structure, which is done by the problem browser and the method browser, see \ref{pbt}).
1197 Tab.\ref{theories} on p.\pageref{theories} lists the basic theories planned to be implemented in version \isac.1. We expext the list to be expanded in the near future, actually, have a look to the theory browser~!
1199 The first three theories in the list do {\em not} belong to \isac's knowledge base; they are concerned with \isac's script-language for methods and listed here for completeness.
1201 \caption{Theories in \isac-version I} \label{theories}
1204 \def\arraystretch{1.0}
1205 \begin{tabular}{lp{9.0cm}}
1206 theory & description \\
1210 & assigns identifiers to the functions defined in {\tt Isabelle2002/src/HOL/List.thy} and (intermediatly~?) defines some more list functions\\
1212 & {\tt eval\_fn} for the additional list functions\\
1214 & functions required for the evaluation of scripts\\
1216 & the respective {\tt eval\_fn}s\\
1218 & prerequisites for scripts: types, tactics, tacticals,\\
1220 & sets of tactics and functions for internal use\\
1225 & an intermediate hack for escaping type errors\\
1227 & {\it description}s for the formulas in {\it model}s and {\it problem}s\\
1229 & (re-)definition of operators; general predicates and functions for preconditions; theorems for the {\tt eval\_rls}\\
1231 & floating point numerals\\
1233 & basic notions for equations and equational systems\\
1237 & polynomial equations and equational systems \\
1239 & additional theorems for rationals\\
1241 & cancel, add and simplify rationals using (a generalization of) Euclids algorithm; respective reverse rulesets\\
1243 & equations on rationals\\
1245 & radicals; calculate normalform; respective reverse rulesets\\
1247 & equations on roots\\
1249 & equations on rationals and roots (i.e. on terms containing both operations)\\
1255 & logarithms and exponential functions\\
1257 & nonstandard analysis\\
1261 & applications of differentiaten (maxima-minima-problems)\\
1263 & (old) data for the test suite\\
1265 & collects all \isac-theoris.\\
1266 \end{tabular}\end{center}\end{table}
1270 \section{Data in {\tt *.thy}- and {\tt *.ML}-files}
1271 As already mentioned, theories come in pairs of {\tt *.thy}- and {\tt *.ML}-files with the same respective filename. How data are distributed between the two files is shown in Tab.\ref{thy-ML} on p.\pageref{thy-ML}.
1273 \caption{Data in {\tt *.thy}- and {\tt *.ML}-files} \label{thy-ML}
1276 \def\arraystretch{1.0}
1277 \begin{tabular}{llp{7.7cm}}
1278 file & data & description \\
1283 & operators, predicates, functions, script-names ('{\tt Script} name \dots{\tt arguments}')
1286 & theorems: \isac{} uses Isabelles theorems if possible; additional theorems analoguous to such existing in Isabelle get the Isabelle-identifier attached an {\it I}
1290 & the theory defined by the actual {\tt *.thy}-file is made accessible to \isac
1293 & evaluation function for operators and predicates, coded on the meta-level (SML); the identifier of such a function is a combination of the keyword {\tt eval\_} with the identifier of the function as defined in {\tt *.thy}
1296 & the canonical simplifier for the actual theory, i.e. the identifier for this ruleset is a combination of the theories identifier and the keyword {\tt *\_simplify}
1298 & {\tt norm\_rls :=}
1299 & the canonical simplifier {\tt *\_simplify} is stored such that it is accessible for \isac
1301 & {\tt rew\_ord' :=}
1302 & the same for rewrite orders, if needed outside of one particular ruleset
1305 & the same for rulesets (ordinary rulesets, reverse rulesets and {\tt eval\_rls})
1307 & {\tt calc\_list :=}
1308 & the same for {\tt eval\_fn}s, if needed outside of one particular ruleset (e.g. for a tactic {\tt Calculate} in a script)
1311 & problems defined within this {\tt *.ML}-file are made accessible for \isac
1314 & methods defined within this {\tt *.ML}-file are made accessible for \isac
1316 \end{tabular}\end{center}\end{table}
1318 The order of the data-items within the theories should adhere to the order given in this list.
1320 \section{Formal description of the problem-hierarchy}
1323 \section{Script tactics}
1324 The tactics actually promote the calculation: they construct the prooftree behind the scenes, and they are the points during evaluation where the script-interpreter transfers control to the user. Here we only describe the sytax of the tactics; the semantics is described on p.\pageref{user-tactics} below in context with the tactics the student uses ('user-tactics'): there is a 1-to-1 correspondence between user-tactics and script-tactics.
1330 \part{Authoring on the knowledge}
1333 \section{Add a theorem}
1334 \section{Define and add a problem}
1335 \section{Define and add a predicate}
1336 \section{Define and add a method}
1345 \bibliography{bib/isac,bib/from-theses}