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@@ -6,6 +6,11 @@
 \usepackage{graphicx}
 \usepackage{subcaption}
 
+% Unicode
+\usepackage{ucs}
+\usepackage[utf8x]{inputenc}
+% \usepackage{autofe}
+
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 %% -----------------------------------------------------------------------------
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+  basicstyle=\footnotesize\ttfamily,
+  extendedchars=\true,
+  inputencoding=utf8x
+}
+
+%% -----------------------------------------------------------------------------
+%% Bibtex
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 %% Numbering depth
 %% \setcounter{secnumdepth}{0}
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 % Make links footnotes instead of hotlinks:
-\renewcommand{\href}[2]{#2\footnote{\url{#1}}}
+\renewcommand{\href}[2]{#2\footnote{\url{#1}}}
 
 % avoid problems with \sout in headers with hyperref:
 \pdfstringdefDisableCommands{\renewcommand{\sout}{}}
 
 \title{The Paths Towards Observational Equality}
-\author{Francesco Mazzoli \url{<fm2209@ic.ac.uk>}}
+\author{Francesco Mazzoli \href{mailto:fm2209@ic.ac.uk}{\nolinkurl{<fm2209@ic.ac.uk>}}}
 \date{December 2012}
 
 \begin{document}
@@ -91,27 +107,30 @@ systems have been devised with increasing expressive power.
 In the next sections I will give a very brief overview of STLC, and then
 describe how to augment it to reach the theory I am interested in,
 Inutitionistic Type Theory (ITT), also known as Martin-L\"{o}f Type Theory after
-its inventor.
+its inventor.  The exposition is quite dense since there is a lot of material to
+cover, for a more complete treatment of the material the reader can refer to
+\citep{Thompson1991, Pierce2002}.
 
-I will then explain why equality has been a tricky business in this theories,
-and talk about the various attempts have been made.  One interesting development
-has recently emerged: Observational Type theory.  I propose to explore the ways
-to turn these ideas into useful practices for programming and theorem proving.
+I will then explain why equality has been a tricky business in these theories,
+and talk about the various attempts have been made to make the situation better.
+One interesting development has recently emerged: Observational Type theory.  I
+propose to explore the ways to turn these ideas into useful practices for
+programming and theorem proving.
 
 \section{Simple and not-so-simple types}
 
 \subsection{Untyped $\lambda$-calculus}
 
 Along with Turing's machines, the earliest attempts to formalise computation
-lead to the $\lambda$-calculus.  This early programming language encodes
-computation with a minimal sintax and most notably no ``data'' in the
-traditional sense, but just functions.
+lead to the $\lambda$-calculus \citep{Church1936}.  This early programming
+language encodes computation with a minimal sintax and most notably no `data'
+in the traditional sense, but just functions.
 
 The syntax of $\lambda$-terms consists of just three things: variables,
 abstractions, and applications:
 
-\newcommand{\appspace}{\hspace{0.07cm}}
-\newcommand{\app}[2]{#1\appspace#2}
+\newcommand{\appsp}{\hspace{0.07cm}}
+\newcommand{\app}[2]{#1\appsp#2}
 \newcommand{\absspace}{\hspace{0.03cm}}
 \newcommand{\abs}[2]{\lambda #1\absspace.\absspace#2}
 \newcommand{\termt}{t}
@@ -123,13 +142,16 @@ abstractions, and applications:
 \newcommand{\termsyn}{\mathit{term}}
 \newcommand{\axname}[1]{\textbf{#1}}
 \newcommand{\axdesc}[2]{\axname{#1} \fbox{$#2$}}
+\newcommand{\lcsyn}[1]{\mathrm{\underline{#1}}}
 
 \begin{center}
 \axname{syntax}
-\begin{eqnarray*}
+$$
+\begin{array}{rcl}
   \termsyn & ::= & x \separ (\abs{x}{\termsyn}) \separ (\app{\termsyn}{\termsyn}) \\
          x & \in & \text{Some enumerable set of symbols, e.g.}\ \{x, y, z, \dots , x_1, x_2, \dots\}
-\end{eqnarray*}
+\end{array}
+$$
 \end{center}
 
 
@@ -142,18 +164,19 @@ to avoid problems with name capturing.  Intuitively, abstractions
 applications ($\app{\termt}{\termm}$) apply a function ($\termt$) to an argument
 ($\termm$).
 
-The ``applying'' is more formally explained with a reduction rule:
+The `applying' is more formally explained with a reduction rule:
 
 \newcommand{\bred}{\leadsto}
 \newcommand{\bredc}{\bred^*}
 
 \begin{center}
 \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
-$$\app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} \bred \termt[\termm / x]$$
+$$\app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} \bred \termt[\termm ]$$
 \end{center}
 
-Where $\termt[\termm / x]$ expresses the operation that substitutes all
-occurrences of $x$ with $\termm$ in $\termt$.  In the systems presented, the
+Where $\termt[\termm ]$ expresses the operation that substitutes all
+occurrences of $x$ with $\termm$ in $\termt$.  In the future, I will use
+$[\termt]$ as an abbreviation for $[\termt ]$.  In the systems presented, the
 $\bred$ relation also includes reduction of subterms, for example if $\termt
 \bred \termm$ then $\app{\termt}{\termn} \bred \app{\termm}{\termn}$, and so on.
 
@@ -161,12 +184,12 @@ $\bred$ relation also includes reduction of subterms, for example if $\termt
 
 These few elements are of remarkable expressiveness, and in fact Turing
 complete.  As a corollary, we must be able to devise a term that reduces forever
-(``loops'' in imperative terms):
-\begin{equation*}
-  \app{(\abs{x}{\app{x}{x}})}{(\abs{x}{\app{x}{x}})} \bred \app{(\abs{x}{\app{x}{x}})}{(\abs{x}{\app{x}{x}})} \bred \dots
-\end{equation*}
+(`loops' in imperative terms):
+\[
+  \app{(\abs{x}{\app{x}{x}})}{(\abs{x}{\app{x}{x}})} \bred \app{(\abs{x}{\app{x}{x}})}{(\abs{x}{\app{x}{x}})} \bred \dotsb
+\]
 Terms that can be reduced only a finite number of times (the non-looping ones)
-are said to be \emph{normalising}, and the ``final'' term is called \emph{normal
+are said to be \emph{normalising}, and the `final' term is called \emph{normal
   form}.  These concepts (reduction and normal forms) will run through all the
 material analysed.
 
@@ -176,11 +199,12 @@ material analysed.
 \newcommand{\tyb}{B}
 \newcommand{\tyc}{C}
 
-One way to ``discipline'' $\lambda$-terms is to assign \emph{types} to them, and
-then check that the terms that we are forming make sense given our typing rules.
+One way to `discipline' $\lambda$-terms is to assign \emph{types} to them, and
+then check that the terms that we are forming make sense given our typing rules
+\citep{Curry1934}.
 
 We wish to introduce rules of the form $\Gamma \vdash \termt : \tya$, which
-reads ``in context $\Gamma$, term $\termt$ has type $\tya$''.
+reads `in context $\Gamma$, term $\termt$ has type $\tya$'.
 
 The syntax for types is as follows:
 
@@ -197,7 +221,7 @@ The syntax for types is as follows:
 I will use $\tya,\tyb,\dots$ to indicate a generic type.
 
 A context $\Gamma$ is a map from variables to types.  We use the notation
-$\Gamma; x : \tya$ to augment it, and to ``extract'' pairs from it.
+$\Gamma; x : \tya$ to augment it, and to `extract' pairs from it.
 
 Predictably, $\tya \tyarr \tyb$ is the type of a function from $\tya$ to
 $\tyb$.  We need to be able to decorate our abstractions with
@@ -234,12 +258,12 @@ Now we are ready to give the typing judgements:
   \end{tabular}
 \end{center}
 
-This typing system takes the name of ``simply typed lambda calculus'' (STLC),
+This typing system takes the name of `simply typed lambda calculus' (STLC),
 and enjoys a number of properties.  Two of them are expected in most type
 systems: %TODO add credit to pierce
 \begin{description}
 \item[Progress] A well-typed term is not stuck - either it is a value or it can
-  take a step according to the evaluation rules.  With ``value'' we mean a term
+  take a step according to the evaluation rules.  With `value' we mean a term
   whose subterms (including itself) don't appear to the left of the $\bred$
   relation.
 \item[Preservation] If a well-typed term takes a step of evaluation, then the
@@ -253,22 +277,22 @@ give types to the non-normalising term shown before:
   \app{(\abs{x : ?}{\app{x}{x}})}{(\abs{x : ?}{\app{x}{x}})}
 \end{equation*}
 
-\newcommand{\lcfix}[2]{\mathsf{fix} \appspace #1\absspace.\absspace #2}
+\newcommand{\lcfix}[2]{\mathsf{fix} \appsp #1\absspace.\absspace #2}
 
 This makes the STLC Turing incomplete.  We can recover the ability to loop by
 adding a combinator that recurses:
-\begin{equation*}
+$$
   \termsyn ::= \dots \separ  \lcfix{x : \tysyn}{\termsyn}
-\end{equation*}
+$$
 \begin{center}
   \begin{prooftree}
     \AxiomC{$\Gamma;x : \tya \vdash \termt : \tya$}
     \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcfix{x : \tya}{\termt} : \tya$}
   \end{prooftree}
 \end{center}
-\begin{equation*}
-  \lcfix{x : \tya}{\termt} \bred \termt[(\lcfix{x : \tya}{\termt}) / x]
-\end{equation*}
+$$
+  \lcfix{x : \tya}{\termt} \bred \termt[(\lcfix{x : \tya}{\termt}) ]
+$$
 
 However, we will keep STLC without such a facility. In the next section we shall
 see why that is preferable for our needs.
@@ -276,13 +300,14 @@ see why that is preferable for our needs.
 \subsection{The Curry-Howard correspondence}
 \label{sec:curry-howard}
 
-\newcommand{\lcunit}{\mathsf{()}}
+\newcommand{\lcunit}{\mathsf{\langle\rangle}}
 
-It turns out that the STLC can be seen a natural deduction system.  Terms are
-proofs, and their types are the propositions they prove.  This remarkable fact
-is known as the Curry-Howard correspondence, or isomorphism.
+It turns out that the STLC can be seen a natural deduction system for
+propositional logic.  Terms are proofs, and their types are the propositions
+they prove.  This remarkable fact is known as the Curry-Howard correspondence,
+or isomorphism.
 
-The ``arrow'' ($\to$) type corresponds to implication.  If we wished to
+The `arrow' ($\to$) type corresponds to implication.  If we wished to
 prove that $(\tya \tyarr \tyb) \tyarr (\tyb \tyarr \tyc) \tyarr (\tya
 \tyarr \tyc)$, all we need to do is to devise a $\lambda$-term that has the
 correct type:
@@ -297,11 +322,11 @@ that is done by introducing a type inhabited by no terms.  If evidence of such a
 type is presented, then we can derive any type, which expresses absurdity.
 Conversely, $\top$ is the type with just one trivial element, $\lcunit$.
 
-\newcommand{\lcinl}{\mathsf{inl}\appspace}
-\newcommand{\lcinr}{\mathsf{inr}\appspace}
-\newcommand{\lccase}[3]{\mathsf{case}\appspace#1\appspace#2\appspace#3}
-\newcommand{\lcfst}{\mathsf{fst}\appspace}
-\newcommand{\lcsnd}{\mathsf{snd}\appspace}
+\newcommand{\lcinl}{\mathsf{inl}\appsp}
+\newcommand{\lcinr}{\mathsf{inr}\appsp}
+\newcommand{\lccase}[3]{\lcsyn{case}\appsp#1\appsp\lcsyn{of}\appsp#2\appsp#3}
+\newcommand{\lcfst}{\mathsf{fst}\appsp}
+\newcommand{\lcsnd}{\mathsf{snd}\appsp}
 \newcommand{\orint}{\vee I_{1,2}}
 \newcommand{\orintl}{\vee I_{1}}
 \newcommand{\orintr}{\vee I_{2}}
@@ -309,17 +334,21 @@ Conversely, $\top$ is the type with just one trivial element, $\lcunit$.
 \newcommand{\andint}{\wedge I}
 \newcommand{\andel}{\wedge E_{1,2}}
 \newcommand{\botel}{\bot E}
-\newcommand{\lcabsurd}{\mathsf{absurd}\appspace}
+\newcommand{\lcabsurd}{\mathsf{absurd}\appsp}
+\newcommand{\lcabsurdd}[1]{\mathsf{absurd}_{#1}\appsp}
+
 
 \begin{center}
   \axname{syntax}
-  \begin{eqnarray*}
+  $$
+  \begin{array}{rcl}
     \termsyn & ::= & \dots \\
              &  |  & \lcinl \termsyn \separ \lcinr \termsyn \separ \lccase{\termsyn}{\termsyn}{\termsyn} \\
              &  |  & (\termsyn , \termsyn) \separ \lcfst \termsyn \separ \lcsnd \termsyn \\
              &  |  & \lcunit \\
     \tysyn & ::= & \dots \separ \tysyn \vee \tysyn \separ \tysyn \wedge \tysyn \separ \bot \separ \top
-  \end{eqnarray*}
+  \end{array}
+  $$
 \end{center}
 \begin{center}
   \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \tysyn}
@@ -358,7 +387,7 @@ Conversely, $\top$ is the type with just one trivial element, $\lcunit$.
   \begin{tabular}{c c}
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \bot$}
     \RightLabel{$\botel$}
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurd \termt : \tya$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurdd{\tya} \termt : \tya$}
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{}
@@ -400,10 +429,10 @@ unsound\footnote{Obviously such a term can be present under a $\lambda$.}.
 \subsection{Extending the STLC}
 
 \newcommand{\lctype}{\mathsf{Type}}
-\newcommand{\lcite}[3]{\mathsf{if}\appspace#1\appspace\mathsf{then}\appspace#2\appspace\mathsf{else}\appspace#3}
+\newcommand{\lcite}[3]{\lcsyn{if}\appsp#1\appsp\lcsyn{then}\appsp#2\appsp\lcsyn{else}\appsp#3}
 \newcommand{\lcbool}{\mathsf{Bool}}
 \newcommand{\lcforallz}[2]{\forall #1 \absspace.\absspace #2}
-\newcommand{\lcforall}[3]{\forall #1 : #2 \absspace.\absspace #3}
+\newcommand{\lcforall}[3]{(#1 : #2) \tyarr #3}
 \newcommand{\lcexists}[3]{\exists #1 : #2 \absspace.\absspace #3}
 
 The STLC can be made more expressive in various ways.  Henk Barendregt
@@ -428,42 +457,59 @@ Here $\lambda{\to}$, in the bottom left, is the STLC.  From there can move along
 3 dimensions:
 \begin{description}
 \item[Terms depending on types (towards $\lambda{2}$)] In other words, we can
-  quantify over types in our type signatures: $(\abs{A : \lctype}{\abs{x : A}{x}}) : \lcforallz{A}{A \tyarr A}$.  The first and most famous instance of this idea
-  has been System F.  This gives us a form of polymorphism and has been wildly
-  successful, also thanks to a well known inference algorithm for a restricted
-  version of System F known as Hindley-Milner.  Languages like Haskell and SML
-  are based on this discipline.
+  quantify over types in our type signatures: $(\abs{A : \lctype}{\abs{x :
+      A}{x}}) : \lcforallz{A}{A \tyarr A}$.  The first and most famous instance
+  of this idea has been System F.  This gives us a form of polymorphism and has
+  been wildly successful, also thanks to a well known inference algorithm for a
+  restricted version of System F known as Hindley-Milner.  Languages like
+  Haskell and SML are based on this discipline.
 \item[Types depending on types (towards $\lambda{\underline{\omega}}$)] In other
   words, we have type operators: $(\abs{A : \lctype}{\abs{R : \lctype}{(A \to R) \to R}}) : \lctype \to \lctype \to \lctype$.
-\item[Types depending on terms (towards $\lambda{P}$)] Also known as ``dependent
-  types'', give great expressive power: $(\abs{x : \lcbool}{\lcite{x}{\mathbb{N}}{\mathbb{Q}}}) : \lcbool \to \lctype$.
+\item[Types depending on terms (towards $\lambda{P}$)] Also known as `dependent
+  types', give great expressive power: $(\abs{x : \lcbool}{\lcite{x}{\mathbb{N}}{\mathbb{Q}}}) : \lcbool \to \lctype$.
 \end{description}
 
 All the systems preserve the properties that make the STLC well behaved (some of
 which I haven't mentioned yet).  The system we are going to focus on,
 Intuitionistic Type Theory, has all of the above additions, and thus would sit
-where $\lambda{C}$ sits in the ``$\lambda$-cube'' above.
-
-\section{Intuitionistic Type Theory}
+where $\lambda{C}$ sits in the `$\lambda$-cube' above.
 
-Intuitionistic Type Theory (ITT) is a very expressive system first described by
-Per Martin-L\"{o}f at the end of the 70s.  It extends the STLC giving it all the
-properties described above, while retaining good computational properties.  Here
-we will present a core type theory and illustrate its components and properties
-one by one, and then describe the various additions that make it useful as a
-programming language and as a theorem prover.
+\section{Intuitionistic Type Theory and dependent types}
 
 \newcommand{\lcset}[1]{\mathsf{Type}_{#1}}
 \newcommand{\lcsetz}{\mathsf{Type}}
 \newcommand{\defeq}{\equiv}
 
+\subsection{A Bit of History}
+
+Logic frameworks and programming languages based on type theory have a long
+history.  Per Martin-L\"{o}f described the first version of his theory in 1971,
+but then revised it since the original version was too impredicative and thus
+inconsistent\footnote{In the early version $\lcsetz : \lcsetz$, see section
+  \ref{sec:core-tt} for an explanation on why this causes problems.}.  For this
+reason he gave a revised and consistent definition later \citep{Martin-Lof1984}.
+
+A related development is the one of the polymorphic $\lambda$-calculus, and
+specifically the previously mentioned System F, which was invented independently
+by Girard and Reynolds.  An overview can be found in \citep{Reynolds1994}.  The
+surprising fact is that while System F is impredicative it is still consistent
+and strongly normalising.  \cite{Coquand1986} Huet further extended this line of
+work with the Calculus of Constructions (CoC).
+
+\subsection{A Core Type Theory}
+\label{sec:core-tt}
+
+The calculus I present follows the exposition in \citep{Thompson1991}, and as
+said previously is quite close to the original formulation of predicative ITT as
+found in \citep{Martin-Lof1984}.
+
 \begin{center}
   \axname{syntax}
   \begin{eqnarray*}
   \termsyn & ::= & x \\
          &  |  & \lcforall{x}{\termsyn}{\termsyn} \separ \abs{x : \termsyn}{\termsyn} \separ \app{\termsyn}{\termsyn} \\
-         &  |  & \lcexists{x}{\termsyn}{\termsyn} \separ (\termsyn , \termsyn) \separ \lcfst \termsyn \separ \lcsnd \termsyn \\
-         &  |  & \bot \separ \lcabsurd \termt \\
+         &  |  & \lcexists{x}{\termsyn}{\termsyn} \separ (\termsyn , \termsyn)_{x.\termsyn} \separ \lcfst \termsyn \separ \lcsnd \termsyn \\
+         &  |  & \bot \separ \lcabsurd_{\termsyn} \termsyn \\
          &  |  & \lcset{n} \\
    n     & \in & \mathbb{N}
  \end{eqnarray*}
@@ -479,13 +525,11 @@ programming language and as a theorem prover.
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \bot$}
-    \RightLabel{$\bot E$}
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurd \termt : A$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurdd{\tya} \termt : \tya$}
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
     \AxiomC{$\tya \defeq \tyb$}
-    \RightLabel{$\defeq$ type}
     \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \termt : \tyb$}
     \DisplayProof
   \end{tabular}
@@ -494,14 +538,12 @@ programming language and as a theorem prover.
 
   \begin{tabular}{c c}
     \AxiomC{$\Gamma;x : \tya \vdash \termt : \tya$}
-    \RightLabel{$\forall I$}
     \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \abs{x : \tya}{\termt} : \lcforall{x}{\tya}{\tyb}$}
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \lcforall{x}{\tya}{\tyb}$}
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tya$}
-    \RightLabel{$\forall E$}
-    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \app{\termt}{\termm} : \tyb[\termm / x]$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \app{\termt}{\termm} : \tyb[\termm ]$}
     \DisplayProof
   \end{tabular}
 
@@ -509,16 +551,14 @@ programming language and as a theorem prover.
 
   \begin{tabular}{c c}
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tyb[\termt / x]$}
-    \RightLabel{$\exists I$}
-    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash (\termt, \termm) : \lcexists{x}{\tya}{\tyb}$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tyb[\termt ]$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash (\termt, \termm)_{x.\tyb} : \lcexists{x}{\tya}{\tyb}$}
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt: \lcexists{x}{\tya}{\tyb}$}
-    \RightLabel{$\exists E_{1,2}$}
     \UnaryInfC{$\hspace{0.7cm} \Gamma \vdash \lcfst \termt : \tya \hspace{0.7cm}$}
     \noLine
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcsnd \termt : \tyb[\lcfst \termt / x]$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcsnd \termt : \tyb[\lcfst \termt ]$}
     \DisplayProof
   \end{tabular}
 
@@ -526,13 +566,11 @@ programming language and as a theorem prover.
 
   \begin{tabular}{c c}
     \AxiomC{}
-    \RightLabel{type}
     \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcset{n} : \lcset{n + 1}$}
     \DisplayProof
     &
     \AxiomC{$\Gamma \vdash \tya : \lcset{n}$}
     \AxiomC{$\Gamma; x : \tya \vdash \tyb : \lcset{m}$}
-    \RightLabel{$\forall, \exists$ type}
     \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcforall{x}{\tya}{\tyb} : \lcset{n \sqcup m}$}
     \noLine
     \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcexists{x}{\tya}{\tyb} : \lcset{n \sqcup m}$}
@@ -543,82 +581,473 @@ programming language and as a theorem prover.
 
   \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
   \begin{eqnarray*}
-    \app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} & \bred & \termt[\termm / x] \\
+    \app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} & \bred & \termt[\termm ] \\
     \lcfst (\termt, \termm) & \bred & \termt \\
     \lcsnd (\termt, \termm) & \bred & \termm
   \end{eqnarray*}
 \end{center}
 
-I will abbreviate $\lcset{0}$ as $\lcsetz$.
-
 There are a lot of new factors at play here. The first thing to notice is that
 the separation between types and terms is gone.  All we have is terms, that
 include both values (terms of type $\lcset{0}$) and types (terms of type
 $\lcset{n}$, with $n > 0$).  This change is reflected in the typing rules.
-While in the STLC terms and types are kept well separated (terms never go
-``right of the colon''), in ITT types can freely depend on terms.
+While in the STLC values and types are kept well separated (values never go
+`right of the colon'), in ITT types can freely depend on values.
 
-This relation is expressed in the typing rules for $\forall$ and $\exists$: if a
+This relation is expressed in the typing rules for $\tyarr$ and $\exists$: if a
 function has type $\lcforall{x}{\tya}{\tyb}$, $\tyb$ can depend on $x$.
-Examples will make this clearer once some base types are added in the next
-section.
+Examples will make this clearer once some base types are added in section
+\ref{sec:base-types}.
 
-$\forall$ and $\exists$ are at the core of the machinery of ITT:
+$\tyarr$ and $\exists$ are at the core of the machinery of ITT:
 
 \begin{description}
-\item[$\forall$] is a generalisation of $\tyarr$ in the STLC and expresses
-  universal quantification in our logic.  In the literature this is also known
-  as ``dependent product'' and shown as $\Pi$, following an interpretation of
-  functions as infinitary products. We will just call it ``dependent function'',
-  reserving ``product'' for $\exists$.
-
-\item[$\exists$] is a generalisation of $\wedge$ in the extended STLC of section
-  \ref{sec:curry-howard}, and thus we will call it ``dependent product''.  In
-  our logic, it represents existential quantification.
-
-  For added confusion, in the literature that calls $\forall$ $\Pi$ $\exists$ is
-  often named ``dependent sum'' and shown as $\Sigma$.  This is following the
-  interpretation of $\exists$ as a generalised $\vee$, where the first element
-  of the pair is the ``tag'' that decides which type the second element will
-  have.
+\item[`forall' ($\tyarr$)] is a generalisation of $\tyarr$ in the STLC and
+  expresses universal quantification in our logic.  It is often written with a
+  syntax closer to logic, e.g. $\forall x : \mathsf{Bool}. \dotsb$.  In the
+  literature this is also known as `dependent product' and shown as $\Pi$,
+  following the interpretation of functions as infinitary products. We will just
+  call it `dependent function', reserving `product' for $\exists$.
+
+\item[`exists' ($\exists$)] is a generalisation of $\wedge$ in the extended
+  STLC of section \ref{sec:curry-howard}, and thus we will call it `dependent
+  product'.  Like $\wedge$, it is formed by providing a pair of things.  In our
+  logic, it represents existential quantification.
+
+  For added confusion, in the literature that calls forall $\Pi$, $\exists$ is
+  often named `dependent sum' and shown as $\Sigma$.  This is following the
+  interpretation of $\exists$ as a generalised, infinitary $\vee$, where the
+  first element of the pair is the `tag' that decides which type the second
+  element will have.
 \end{description}
 
-Another thing to notice is that types are very ``first class'': we are free to
+Another thing to notice is that types are very `first class': we are free to
 create functions that accept and return types.  For this reason we $\defeq$ as
-the smallest 
-
-\begin{thebibliography}{9}
-
-\bibitem{levitation}
-  James Chapman, Pierre-Evariste Dagand, Conor McBride, and Peter Morris.
-  \emph{The gentle art of levitation}.
-  SIGPLAN Not., 45:3–14, September 2010.
-
-\bibitem{outsidein}
-  Dimitrios Vytiniotis, Simon Peyton Jones, Tom Schrijvers, and Martin
-  Sulzmann.
-  \emph{OutsideIn(X): Modular Type inference with local assumptions}.
-  Journal of Functional Programming, 21, 2011.
-
-\bibitem{haskell-promotion}
-  Brent A. Yorgey, Stephanie Weirich, Julien Cretin, Simon Peyton Jones,
-  Dimitrios Vytiniotis, and Jos\'{e} Pedro Magalh\~{a}es.
-  \emph{Giving Haskell a promotion}.
-  In Proceedings of the 8th ACM SIGPLAN Workshop on Types in Language Design and
-  Implementation, TLDI ’12, pages 53–66, New York, NY, USA, 2012. ACM. doi:
-  10.1145/2103786.2103795.
-
-\bibitem{idris}
-  Edwin Brady.
-  \emph{Implementing General Purpose Dependently Typed Programming Languages}.
-  Unpublished draft.
-
-\bibitem{bidirectional}
-  Benjamin C. Pierce and David N. Turner.
-  \emph{Local type inference}.
-  ACM Transactions on Programming Languages and Systems, 22(1):1–44, January
-  2000. ISSN 0164-0925. doi: 10.1145/345099.345100.
-
-\end{thebibliography}
+the smallest equivalence relation extending $\bredc$, where $\bredc$ is the
+reflexive transitive closure of $\bred$; and we treat types that are equal
+according to $\defeq$ as the same.  Another way of seeing $\defeq$ is this: when
+we want to compare two types for equality, we reduce them as far as possible and
+then check if they are equal\footnote{Note that when comparing terms we do it up
+  to $\alpha$-renaming.  That is, we do not consider relabelling of variables as
+  a difference - for example $\abs{x : A}{x} \defeq \abs{y : A}{y}$.}.  This
+works since not only each term has a normal form (ITT is strongly normalising),
+but the normal form is also unique; or in other words $\bred$ is confluent (if
+$\termt \bredc \termm$ and $\termt \bredc \termn$, then $\termm \bredc \termp$
+and $\termn \bredc \termp$).  This measure makes sure that, for instance,
+$\app{(\abs{x : \lctype}{x})}{\lcbool} \defeq \lcbool$.  The theme of equality
+is central and will be analysed better later.
+
+The theory presented is \emph{stratified}.  We have a hierarchy of types
+$\lcset{0} : \lcset{1} : \lcset{2} : \dots$, so that there is no `type of all
+types', and our theory is predicative.  The layers of the hierarchy are called
+`universes'.  $\lcsetz : \lcsetz$ ITT is inconsistent due to Girard's paradox
+\citep{Hurkens1995}, and thus loses its well-behavedness.  Some impredicativity
+sometimes has its place, either because the theory retain good properties
+(normalization, consistency, etc.) anyway, like in System F and CoC; or because
+we are at a stage at which we do not care - we will see instances of the last
+motivation later.  Moreover, universes can be inferred mechanically
+\citep{Pollack1990}. It is also convenient to have a \emph{cumulative} theory,
+where $\lcset{n} : \lcset{m}$ iff $n < m$.  We eschew these measures to keep the
+presentation simple.
+
+Lastly, the theory I present is fully explicit in the sense that the user has to
+specify every type when forming abstractions, products, etc.  This can be a
+great burden if one wants to use the theory directly.  Complete inference is
+undecidable (which is hardly surprising considering the role that types play)
+but partial inference (also called `bidirectional type checking' in this
+context) in the style of \cite{Pierce2000} will have to be deployed in a
+practical system.  When showing examples types will be omitted when this can be
+done without loss of clarity, for example $\abs{x}{x}$ in place of $\abs{A :
+  \lcsetz}{\abs{x : A}{x}}$.
+
+Note that the Curry-Howard correspondence runs through ITT as it did with the
+STLC with the difference that ITT corresponds to an higher order propositional
+logic.
+
+% TODO describe abbreviations somewhere
+% I will use various abbreviations:
+% \begin{itemize}
+%   \item $\lcsetz$ for $\lcset{0}$
+%   \item $\tya \tyarr \tyb$ for $\lcforall{-}{\tya}{\tyb}$, when $\tyb$ does not
+%     depend on the value of type $\tya$
+%   \item $(
+
+\subsection{Base Types}
+\label{sec:base-types}
+
+\newcommand{\lctrue}{\mathsf{true}}
+\newcommand{\lcfalse}{\mathsf{false}}
+\newcommand{\lcw}[3]{\mathsf{W} #1 : #2 \absspace.\absspace #3}
+\newcommand{\lcnode}[4]{#1 \lhd_{#2 . #3} #4}
+\newcommand{\lcnodez}[2]{#1 \lhd #2}
+\newcommand{\lcited}[5]{\lcsyn{if}\appsp#1/#2\appsp.\appsp#3\appsp\lcsyn{then}\appsp#4\appsp\lcsyn{else}\appsp#5}
+\newcommand{\lcrec}[4]{\lcsyn{rec}\appsp#1/#2\appsp.\appsp#3\appsp\lcsyn{with}\appsp#4}
+\newcommand{\lcrecz}[2]{\lcsyn{rec}\appsp#1\appsp\lcsyn{with}\appsp#2}
+\newcommand{\AxiomL}[1]{\Axiom$\fCenter #1$}
+\newcommand{\UnaryInfL}[1]{\UnaryInf$\fCenter #1$}
+
+While the ITT presented is a fairly complete logic, it is not that useful for
+programming.  If we wish to make it better, we can add some base types to
+represent the data structures we know and love, such as numbers, lists, and
+trees.  Apart from some unsurprising data types, we introduce $\mathsf{W}$, a
+very general tree-like structure useful to represent inductively defined types.
+
+\begin{center}
+  \axname{syntax}
+  \begin{eqnarray*}
+  \termsyn & ::= & \dots \\
+           &  |  & \top \separ \lcunit \\
+           &  |  & \lcbool \separ \lctrue \separ \lcfalse \separ \lcited{\termsyn}{x}{\termsyn}{\termsyn}{\termsyn} \\
+           &  |  & \lcw{x}{\termsyn}{\termsyn} \separ \lcnode{\termsyn}{x}{\termsyn}{\termsyn} \separ \lcrec{\termsyn}{x}{\termsyn}{\termsyn}
+ \end{eqnarray*}
+
+  \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \termsyn}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c c}
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\hspace{0.2cm}\Gamma \vdash \top : \lcset{0} \hspace{0.2cm}$}
+    \noLine
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcbool : \lcset{0}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcunit : \top$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lctrue : \lcbool$}
+    \noLine
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcfalse : \lcbool$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \lcbool$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tya[\lctrue]$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termn : \tya[\lcfalse]$}
+    \TrinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcited{\termt}{x}{\tya}{\termm}{\termn} : \tya[\termt]$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \tya : \lcset{n}$}
+    \AxiomC{$\Gamma; x : \tya \vdash \tyb : \lcset{m}$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcw{x}{\tya}{\tyb} : \lcset{n \sqcup m}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termf : \tyb[\termt ] \tyarr \lcw{x}{\tya}{\tyb}$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcnode{\termt}{x}{\tyb}{\termf} : \lcw{x}{\tya}{\tyb}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt: \lcw{x}{\tya}{\tyb}$}
+    \noLine
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcforall{\termm}{\tya}{\lcforall{\termf}{(\tyb[\termm] \tyarr \lcw{x}{\tya}{\tyb})}{(\lcforall{\termn}{\tyb[\termm]}{\tyc[\app{\termf}{\termn}]}) \tyarr \tyc[\lcnodez{\termm}{\termf}]}}$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcrec{\termt}{x}{\tyc}{\termp} : \tyc[\termt]$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
+  \begin{eqnarray*}
+    \lcited{\lctrue}{x}{\tya}{\termt}{\termm} & \bred & \termt \\
+    \lcited{\lcfalse}{x}{\tya}{\termt}{\termm} & \bred & \termm \\
+    \lcrec{\lcnodez{\termt}{\termf}}{x}{\tya}{\termp} & \bred & \app{\app{\app{\termp}{\termt}}{\termf}}{(\abs{\termm}{\lcrec{\app{f}{\termm}}{x}{\tya}{\termp}})}
+  \end{eqnarray*}
+\end{center}
+
+The introduction and elimination for $\top$ and $\lcbool$ are unsurprising.
+Note that in the $\lcite{\dotsb}{\dotsb}{\dotsb}$ construct the type of the
+branches are dependent on the value of the conditional.
+
+The rules for $\mathsf{W}$, on the other hand, are quite an eyesore.  The idea
+behind $\mathsf{W}$ types is to build up `trees' where shape of the number of
+`children' of each node is dependent on the value in the node.  This is
+captured by the $\lhd$ constructor, where the argument on the left is the value,
+and the argument on the right is a function that returns a child for each
+possible value of $\tyb[\text{node value}]$, if $\lcw{x}{\tya}{\tyb}$.  The
+recursor $\lcrec{\termt}{x}{\tyc}{\termp}$ uses $p$ to inductively prove that
+$\tyc[\termt]$ holds.
+
+\subsection{Some examples}
+
+Now we can finally provide some meaningful examples.  Apart from omitting types,
+I will also use some abbreviations:
+\begin{itemize}
+  \item $\_\mathit{operator}\_$ to define infix operators
+  \item $\abs{x\appsp y\appsp z : \tya}{\dotsb}$ to define multiple abstractions at the same
+    time
+\end{itemize}
+
+\subsubsection{Sum types}
+
+We would like to recover our sum type, or disjunction, $\vee$.  This is easily
+done with $\exists$:
+\[
+\begin{array}{rcl}
+  \_\vee\_ & = &  \abs{\tya\appsp\tyb : \lcsetz}{\lcexists{x}{\lcbool}{\lcite{x}{\tya}{\tyb}}} \\
+  \lcinl   & = & \abs{x}{(\lctrue, x)} \\
+  \lcinr   & = & \abs{x}{(\lcfalse, x)} \\
+  \mathsf{case} & = & \abs{x : \tya \vee \tyb}{\abs{f : \tya \tyarr \tyc}{\abs{g : \tyb \tyarr \tyc}{ \\
+           &   & \hspace{0.5cm} \app{(\lcited{\lcfst x}{b}{(\lcite{b}{A}{B}) \tyarr C}{f}{g})}{(\lcsnd x)}}}}
+\end{array}
+\]
+What is going on here?  We are using $\exists$ with $\lcbool$ as a tag, so that
+we can choose between one of two types in the second element.  In
+$\mathsf{case}$ we use $\lcite{\lcfst x}{\dotsb}{\dotsb}$ to discriminate on the
+tag, that is, the first element of $x : \tya \vee \tyb$.  If the tag is true,
+then we know that the second element is of type $\tya$, and we will apply $f$.
+The same applies to the other branch, with $\tyb$ and $g$.
+
+\subsubsection{Naturals}
+
+Now it's time to showcase the power of $\mathsf{W}$ types.
+\begin{eqnarray*}
+  \mathsf{Nat}  & = & \lcw{b}{\lcbool}{\lcite{b}{\top}{\bot}}  \\
+  \mathsf{zero} & = & \lcfalse \lhd \abs{z}{\lcabsurd z} \\
+  \mathsf{suc}  & = & \abs{n}{(\lctrue \lhd \abs{\_}{n})}  \\
+  \mathsf{plus} & = & \abs{x\appsp y}{\lcrecz{x}{(\abs{b}{\lcite{b}{\abs{\_\appsp f}{\app{\mathsf{suc}}{(\app{f}{\lcunit})}}}{\abs{\_\appsp\_}{y}}})}}
+\end{eqnarray*}
+Here we encode natural numbers through $\mathsf{W}$ types.  Each node contains a
+$\lcbool$.  If the $\lcbool$ is $\lcfalse$, then there are no children, since we
+have a function $\bot \tyarr \mathsf{Nat}$: this is our $0$.  If it's $\lctrue$,
+we need one child only: the predecessor.  Similarly, we recurse giving to
+$\lcsyn{rec}$ a function that handles the `base case' 0 when the $\lcbool$ is
+$\lctrue$, and the inductive case otherwise.
+
+We postpone more complex examples after the introduction of inductive families
+and pattern matching, since $\mathsf{W}$ types get unwieldy very quickly.
+
+\subsubsection{Propositional Equality}
+
+We can finally introduce one of the central subjects of my project:
+propositional equality.
+
+\newcommand{\lceq}[3]{#2 =_{#1} #3}
+\newcommand{\lceqz}[2]{#1 = #2}
+\newcommand{\lcrefl}[2]{\mathsf{refl}_{#1}\appsp #2}
+\newcommand{\lcsubst}[3]{\mathsf{subst}\appsp#1\appsp#2\appsp#3}
+
+\begin{center}
+  \axname{syntax}
+  \begin{eqnarray*}
+  \termsyn & ::= & ... \\
+           &  |  & \lceq{\termsyn}{\termsyn}{\termsyn} \separ \lcrefl{\termsyn}{\termsyn} \separ \lcsubst{\termsyn}{\termsyn}{\termsyn}
+ \end{eqnarray*}
+
+  \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \termsyn}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcrefl{\tya}{\termt} : \lceq{\tya}{\termt}{\termt}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termp : \lceq{\tya}{\termt}{\termm}$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \tyb : \tya \tyarr \lcsetz$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termn : \app{\tyb}{\termt}$}
+    \TrinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcsubst{\termp}{\tyb}{\termn} : \app{\tyb}{\termm}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
+  \begin{eqnarray*}
+    \lcsubst{(\lcrefl{\tya}{\termt})}{\tyb}{\termm} \bred \termm
+  \end{eqnarray*}
+\end{center}
+
+Propositional equality internalises equality as a type.  This lets us prove
+useful things.  The only way to introduce an equality proof is by reflexivity
+($\mathsf{refl}$).  The eliminator is in the style of `Leibnitz's law' of
+equality: `equals can be substituted for equals' ($\mathsf{subst}$).  The
+computation rule refers to the fact that every canonical proof of equality will
+be a $\mathsf{refl}$.  We can use $\neg (\lceq{\tya}{x}{y})$ to express
+inequality.
+
+These elements conclude our presentation of a `core' type theory.  For an
+extended example see Section 6.2 of \cite{Thompson1991}\footnote{Note that while I
+  attempted to formalise the proof in Agda, I found a bug in the book!  See the
+  errata for details:
+  \url{http://www.cs.kent.ac.uk/people/staff/sjt/TTFP/errata.html}.}.  The above
+language and examples have been codified in Agda\footnote{More on Agda in
+  the next section.}, see appendix \ref{app:agda-code}.
+
+\section{A more useful language}
+
+While our core type theory equipped with $\mathsf{W}$ types is very usefully
+conceptually as a simple but complete language, things get messy very fast.  In
+this section we will present the elements that are usually include in theorem
+provers or programming languages to make them usable by mathematicians or
+programmers.
+
+All the features presented, except for quotient types, are present in the second
+version of the Agda system, which is described in the PhD thesis of the author
+\citep{Norell2007}.  Agda follows a tradition of theorem provers based on ITT
+with inductive families and pattern matching.  The closest relative of Agda,
+apart from previous versions, is Epigram, whose type theory is described in
+\cite{McBride2004}.  Coq is another notable theorem prover based on the same
+concepts, and the first and most popular \cite{Coq}.
+
+The main difference between Coq and Agda/Epigram is that the former focuses on
+theorem proving, while the latter also want to be useful as functional
+programming languages, while still offering good tools to express
+mathematics\footnote{In fact, currently, Agda is used almost exclusively to
+  express mathematics, rather than to program.}.  This is reflected in a series
+of differences that I will not discuss here (most notably the absence of tactics
+but better support for pattern matching in Agda/Epigram).  I will take the same
+approach as Agda/Epigram and will give a perspective focused on functional
+programming rather than theorem proving.  Every feature will be presented as it
+is present in Agda (if possible, since some features are not present in Agda
+yet).
+
+\subsection{Inductive families}
+
+\newcommand{\lcdata}[1]{\lcsyn{data}\appsp #1}
+\newcommand{\lcdb}{\ |\ }
+\newcommand{\lcind}{\hspace{0.2cm}}
+\newcommand{\lcwhere}{\appsp \lcsyn{where}}
+\newcommand{\lclist}[1]{\app{\mathsf{List}}{#1}}
+\newcommand{\lcnat}{\app{\mathsf{Nat}}}
+\newcommand{\lcvec}[2]{\app{\app{\mathsf{Vec}}{#1}}{#2}}
+
+Inductive families were first introduced by \cite{Dybjer1991}.  For the reader
+familiar with the recent developments present in the GHC compiler for Haskell,
+inductive families will look similar to GADTs (Generalised Abstract Data Types).
+% TODO: add citation
+Haskell style data types provide \emph{parametric polymorphism}, so that we can
+define types that range over type parameters:
+\[
+\begin{array}{l}
+\lcdata{\lclist{A}} = \mathsf{Nil} \lcdb A :: \lclist{A}
+\end{array}
+\]
+In this way we define the $\mathsf{List}$ type once while allowing elements to
+be of any type.  $\mathsf{List}$ will be a type constructor of type $\lcsetz
+\tyarr \lcsetz$, while $\mathsf{nil} : \lcforall{A}{\lcsetz}{\lclist{A}}$ and
+$\_::\_ : \lcforall{A}{\lcsetz}{A \tyarr \lclist{A} \tyarr \lclist{A}}$.
+
+Inductive families bring this concept one step further by allowing some of the
+parameters to be constrained in constructors.  We call these parameters
+`indices'.  For example we might define natural numbers
+\[
+\begin{array}{l}
+\lcdata{\lcnat} : \lcsetz \lcwhere \\
+  \begin{array}{l@{\ }l}
+    \lcind \mathsf{zero} &: \lcnat \\
+    \lcind \mathsf{suc}  &: \lcnat \tyarr \lcnat
+  \end{array}
+\end{array}
+\]
+And then define a type for lists indexed by length:
+\[
+\begin{array}{l}
+\lcdata{\mathsf{Vec}}\appsp (A : \lcsetz) : \lcnat \tyarr \lcsetz \lcwhere \\
+  \begin{array}{l@{\ }l}
+    \lcind \mathsf{nil} &: \lcvec{A}{\mathsf{zero}} \\
+    \lcind \_::\_ &: \{n : \mathsf{Nat}\} \tyarr A \tyarr \lcvec{A}{n} \tyarr \lcvec{A}{\app{(\mathsf{suc}}{n})}
+  \end{array}
+\end{array}
+\]
+Note that contrary to the Haskell ADT notation, with inductive families we
+explicitly list the types for the type constructor and data constructors.  In
+$\mathsf{Vec}$, $A$ is a parameter (same across all constructors) while the
+$\lcnat$ is an integer.  In our syntax, in the $\lcsyn{data}$ declaration,
+things to the left of the colon are parameters, while on the right we can define
+the type of indices.  Also note that the parameters can be named across all
+constructors, while indices can't.
+
+In this $\mathsf{Vec}$ example, when we form a new list the length is
+$\mathsf{zero}$.  When we append a new element to an existing list of length
+$n$, the new list is of length $\app{\mathsf{suc}}{n}$, that is, one more than
+the previous length.  Also note that we are using the $\{n : \lcnat\} \tyarr
+\dotsb$ syntax to indicate an argument that we will omit when using $\_::\_$.
+In the future I shall also omit the type of these implicit parameters, in line
+how Agda works.
+
+Once we have our $\mathsf{Vec}$ we can do things much more safely than with
+normal lists.  For example, we can define an $\mathsf{head}$ function that
+returns the first element of the list:
+\[
+\begin{array}{l}
+\mathsf{head} : \{A\ n\} \tyarr \lcvec{A}{(\app{\mathsf{suc}}{n})} \tyarr A
+\end{array}
+\]
+Note that we will not be able to provide this function with a
+$\lcvec{A}{\mathsf{zero}}$, since it needs an index which is a successor of some
+number.
+
+\newcommand{\lcfin}[1]{\app{\mathsf{Fin}}{#1}}
+
+If we wish to index a $\mathsf{Vec}$ safely, we can define an inductive family
+$\lcfin{n}$, which represents the family of numbers smaller than a given number
+$n$:
+\[
+\begin{array}{l}
+  \lcdata{\mathsf{Fin}} : \lcnat \tyarr \lcsetz \lcwhere \\
+  \begin{array}{l@{\ }l}
+    \lcind \mathsf{fzero} &: \{n\} \tyarr \lcfin{n} \\
+    \lcind \mathsf{fsuc}  &: \{n\} \tyarr (i : \lcfin{n}) \tyarr \lcfin{(\app{\mathsf{suc}}{n})}
+  \end{array}
+\end{array}
+\]
+$\mathsf{fzero}$ is smaller than any number apart from $\mathsf{zero}$.  Given
+the family of numbers smaller than $i$, we can produce the family of numbers
+smaller than $\app{\mathsf{suc}}{n}$.  Now we can define an `indexing' operation
+for our $\mathsf{Vec}$:
+\[
+\begin{array}{l}
+\_\mathsf{!!}\_ : \{A\ n\} \tyarr \lcvec{A}{n} \tyarr \lcfin{n} \tyarr A
+\end{array}
+\]
+In this way we will be sure that the number provided as an index will be smaller
+than the length of the $\mathsf{Vec}$ provided.
+
+
+\subsection{Pattern matching}
+
+\subsection{Guarded recursion}
+
+\subsection{Corecursion}
+
+\subsection{Quotient types}
+
+
+\section{Why dependent types?}
+
+\section{Many equalities}
+
+\subsection{Revision}
+
+\subsection{Extensional equality and its problems}
+
+\subsection{Observational equality}
+
+\section{What to do}
+
+
+\bibliographystyle{authordate1}
+\bibliography{background}
+
+\appendix
+\section{Agda code}
+\label{app:agda-code}
 
 \end{document}