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 %% \IfFileExists{microtype.sty}{\usepackage{microtype}}{}
 
 %% -----------------------------------------------------------------------------
-%% TikZ stuff
-%% \usepackage{tikz}
-%% \usetikzlibrary{positioning}
+%% Diagrams
+% \usepackage{tikz}
+% \usetikzlibrary{positioning}
 %% \usetikzlibrary{shapes}
 %% \usetikzlibrary{arrows}
 %% \usepackage{tikz-cd}
 %% \usepackage{pgfplots}
+\usepackage[all]{xy}
 
 %% -----------------------------------------------------------------------------
 %% Symbols
 
 \maketitle
 
-\section{Functional programming}
+\setlength{\tabcolsep}{12pt}
 
-\subsection{The $\lambda$-calculus}
+The marriage between programming and logic has been a very fertile one.  In
+particular, since the simply typed lambda calculus (STLC), a number of type
+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.
+
+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.
+
+\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
@@ -93,47 +110,54 @@ traditional sense, but just functions.
 The syntax of $\lambda$-terms consists of just three things: variables,
 abstractions, and applications:
 
-\newcommand{\app}[2]{#1\hspace{0.07cm}#2}
-\newcommand{\abs}[2]{\lambda #1. #2}
-\newcommand{\termt}{\mathrm{T}}
-\newcommand{\termm}{\mathrm{M}}
-\newcommand{\termn}{\mathrm{N}}
-\newcommand{\termp}{\mathrm{P}}
+\newcommand{\appspace}{\hspace{0.07cm}}
+\newcommand{\app}[2]{#1\appspace#2}
+\newcommand{\absspace}{\hspace{0.03cm}}
+\newcommand{\abs}[2]{\lambda #1\absspace.\absspace#2}
+\newcommand{\termt}{t}
+\newcommand{\termm}{m}
+\newcommand{\termn}{n}
+\newcommand{\termp}{p}
+\newcommand{\termf}{f}
+\newcommand{\separ}{\ \ |\ \ }
+\newcommand{\termsyn}{\mathit{term}}
+\newcommand{\axname}[1]{\textbf{#1}}
+\newcommand{\axdesc}[2]{\axname{#1} \fbox{$#2$}}
 
+\begin{center}
+\axname{syntax}
 \begin{eqnarray*}
-  \termt & ::= & x \\
-         &  |  & (\abs{x}{\termt}) \\
-         &  |  & (\app{\termt}{\termt}) \\
-  x & \in & \text{Some enumerable set of symbols, e.g.}\ \{x, y, z, \dots , x_1, x_2, \dots\}
+  \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{center}
 
-I will omit parethesis in the usual manner. %TODO explain how
 
-Intuitively, abstractions ($\abs{x}{\termt}$) introduce functions with a named
-parameter ($x$), and applications ($\app{\termt}{\termm}$) apply a function
-($\termt$) to an argument ($\termm$).
+% I will omit parethesis in the usual manner. %TODO explain how
+
+I will use $\termt,\termm,\termn,\dots$ to indicate a generic term, and $x,y$
+for variables.  I will also assume that all variable names in a term are unique
+to avoid problems with name capturing.  Intuitively, abstractions
+($\abs{x}{\termt}$) introduce functions with a named parameter ($x$), and
+applications ($\app{\termt}{\termm}$) apply a function ($\termt$) to an argument
+($\termm$).
 
 The ``applying'' is more formally explained with a reduction rule:
 
-\newcommand{\bred}{\rightarrow_{\beta}}
+\newcommand{\bred}{\leadsto}
+\newcommand{\bredc}{\bred^*}
 
-\begin{eqnarray*}
-  \app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} & \bred & \termt[\termm / x] \\
-  \termt \bred \termm & \Rightarrow & \left \{
-    \begin{array}{l}
-      \app{\termt}{\termn} \bred \app{\termm}{\termn} \\
-      \app{\termn}{\termt} \bred \app{\termn}{\termm} \\
-      \abs{x}{\termt}      \bred \abs{x}{\termm}
-    \end{array}
-    \right.
-\end{eqnarray*}
+\begin{center}
+\axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
+$$\app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} \bred \termt[\termm / x]$$
+\end{center}
 
 Where $\termt[\termm / x]$ expresses the operation that substitutes all
-occurrences of $x$ with $\termm$ in $\termt$.  For simplicity, we assume that
-all variables in a term are distinct.  This reduction practice takes the name of
-$\beta$-reduction.
+occurrences of $x$ with $\termm$ in $\termt$.  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.
 
-% TODO put the trans closure
+% TODO put the trans closure
 
 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
@@ -146,121 +170,455 @@ 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.
 
-The $\lambda$-calculus has been extensively studied in literature.  Recursion in
-particular is a central subject, and very relevant to my thesis.
+\subsection{The simply typed $\lambda$-calculus}
 
-\subsection{Types}
+\newcommand{\tya}{A}
+\newcommand{\tyb}{B}
+\newcommand{\tyc}{C}
 
-While the $\lambda$-calculus is theoretically complete, in its raw form is quite
-unwieldy.  We cannot produce any data apart from $\lambda$-terms themselves, and
-as mentioned we cannot guarantee that terms will eventually produce something
-definitive.  Note that the latter property is often a necessary price: after
-all, if we can guarantee termination, then the language is not Turing complete,
-due to the halting problem.
+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 ``makes sense'' given our typing
-rules.
-
-We wish to introduce rules of the form $\Gamma \vdash \termt : \tau$, which
-reads ``in context $\Gamma$, term $\termt$ has type $\tau$''.
+We wish to introduce rules of the form $\Gamma \vdash \termt : \tya$, which
+reads ``in context $\Gamma$, term $\termt$ has type $\tya$''.
 
 The syntax for types is as follows:
 
-\newcommand{\tyarr}[2]{#1 \rightarrow #2}
+\newcommand{\tyarr}{\to}
+\newcommand{\tysyn}{\mathit{type}}
+\newcommand{\ctxsyn}{\mathit{context}}
+\newcommand{\emptyctx}{\cdot}
 
-\begin{eqnarray*}
-  \tau & ::= & x \\
-       &  |  & \tyarr{\tau}{\tau}
-\end{eqnarray*}
+\begin{center}
+  \axname{syntax}
+   $$\tysyn ::= x \separ \tysyn \tyarr \tysyn$$
+\end{center}
+
+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
-$\Gamma, x : \tau$ to augment it.  Note that, being a map, no variable can
-appear twice as a subject in a context.
+$\Gamma; x : \tya$ to augment it, and to ``extract'' pairs from it.
 
-Predictably, $\tyarr{\tau}{\sigma}$ is the type of a function from $\tau$ to
-$\sigma$.  We need to be able to decorate our abstractions with
+Predictably, $\tya \tyarr \tyb$ is the type of a function from $\tya$ to
+$\tyb$.  We need to be able to decorate our abstractions with
 types\footnote{Actually, we don't need to: computers can infer the right type
   easily, but that is another story.}:
+\begin{center}
+  \axname{syntax}
+   $$\termsyn ::= x \separ (\abs{x : \tysyn}{\termsyn}) \separ (\app{\termsyn}{\termsyn})$$
+\end{center}
+Now we are ready to give the typing judgements:
 
-\begin{eqnarray*}
-  \termt & ::= & \dots \\
-               &  |  & (\abs{x : \tau}{\termt})
-\end{eqnarray*}
+\begin{center}
+  \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \tysyn}
 
-Now we are ready to give the typing judgements:
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c c}
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\Gamma; x : \tya \vdash x : \tya$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\Gamma; x : \tya \vdash \termt : \tyb$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \abs{x : \tya}{\termt} : \tya \tyarr \tyb$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya \tyarr \tyb$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tya$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \app{\termt}{\termm} : \tyb$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+\end{center}
 
+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
+  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
+  resulting term is also well typed.
+\end{description}
+
+However, STLC buys us much more: every well-typed term
+is normalising.  It is easy to see that we can't fill the blanks if we want to
+give types to the non-normalising term shown before:
+\begin{equation*}
+  \app{(\abs{x : ?}{\app{x}{x}})}{(\abs{x : ?}{\app{x}{x}})}
+\end{equation*}
+
+\newcommand{\lcfix}[2]{\mathsf{fix} \appspace #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{}
-    \UnaryInfC{$\Gamma, x : \tau \vdash x : \tau$}
+    \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*}
+
+However, we will keep STLC without such a facility. In the next section we shall
+see why that is preferable for our needs.
+
+\subsection{The Curry-Howard correspondence}
+\label{sec:curry-howard}
+
+\newcommand{\lcunit}{\mathsf{()}}
+
+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.
+
+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:
+\begin{equation*}
+  \abs{f : (\tya \tyarr \tyb)}{\abs{g : (\tyb \tyarr \tyc)}{\abs{x : \tya}{\app{g}{(\app{f}{x})}}}}
+\end{equation*}
+That is, function composition.  We might want extend our bare lambda calculus
+with a couple of terms to make our natural deduction more pleasant to use.  For
+example, tagged unions (\texttt{Either} in Haskell) are disjunctions, and tuples
+(or products) are conjunctions.  We also want to be able to express falsity, and
+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{\orint}{\vee I_{1,2}}
+\newcommand{\orintl}{\vee I_{1}}
+\newcommand{\orintr}{\vee I_{2}}
+\newcommand{\orel}{\vee E}
+\newcommand{\andint}{\wedge I}
+\newcommand{\andel}{\wedge E_{1,2}}
+\newcommand{\botel}{\bot E}
+\newcommand{\lcabsurd}{\mathsf{absurd}\appspace}
+
+\begin{center}
+  \axname{syntax}
+  \begin{eqnarray*}
+    \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{center}
+\begin{center}
+  \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \tysyn}
   \begin{prooftree}
-    \AxiomC{$\Gamma, x : \tau \vdash \termt : \sigma$}
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \abs{x : \tau}{\termt} : \tyarr{\tau}{\sigma}$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \RightLabel{$\orint$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcinl \termt : \tya \vee \tyb$}
+    \noLine
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcinr \termt : \tyb \vee \tya$}
   \end{prooftree}
   \begin{prooftree}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tyarr{\tau}{\sigma}$}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tau$}
-    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \app{\termt}{\termm} : \sigma$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya \vee \tyb$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tya \tyarr \tyc$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termn : \tyb \tyarr \tyc$}
+    \RightLabel{$\orel$}
+    \TrinaryInfC{$\Gamma \vdash \lccase{\termt}{\termm}{\termn} : \tyc$}
   \end{prooftree}
+
+  \begin{tabular}{c c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tyb$}
+    \RightLabel{$\andint$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash (\tya , \tyb) : \tya \wedge \tyb$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya \wedge \tyb$}
+    \RightLabel{$\andel$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcfst \termt : \tya$}
+    \noLine
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcsnd \termt : \tyb$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \bot$}
+    \RightLabel{$\botel$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurd \termt : \tya$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{}
+    \RightLabel{$\top I$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcunit : \top$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+\end{center}
+\begin{center}
+  \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
+  \begin{eqnarray*}
+    \lccase{(\lcinl \termt)}{\termm}{\termn} & \bred & \app{\termm}{\termt} \\
+    \lccase{(\lcinr \termt)}{\termm}{\termn} & \bred & \app{\termn}{\termt} \\
+    \lcfst (\termt , \termm)                 & \bred & \termt \\
+    \lcsnd (\termt , \termm)                 & \bred & \termm
+  \end{eqnarray*}
 \end{center}
 
-This typing system takes the name of ``simply typed lambda calculus'' (STLC),
-and enjoys a number of properties.  In general, a well behaved type system has
-to preserve two properties: %TODO add credit to pierce
+With these rules, our STLC now looks remarkably similar in power and use to the
+natural deduction we already know.  $\neg A$ can be expressed as $A \tyarr
+\bot$.  However, there is an important omission: there is no term of the type $A
+\vee \neg A$ (excluded middle), or equivalently $\neg \neg A \tyarr A$ (double
+negation), or indeed any term with a type equivalent to those.
+
+This has a considerable effect on our logic and it's no coincidence, since there
+is no obvious computational behaviour for laws like the excluded middle.
+Theories of this kind are called \emph{intuitionistic}, or \emph{constructive},
+and all the systems analysed will have this characteristic since they build on
+the foundation of the STLC\footnote{There is research to give computational
+  behaviour to classical logic, but we will not touch those subjects.}.
+
+Finally, going back to our $\mathsf{fix}$ combinator, it's now easy to see how
+we would want to exclude such a thing if we want to use STLC as a logic, since
+it allows us to prove everything: $(\lcfix{x : \tya}{x}) : \tya$ clearly works
+for any $A$!  This is a crucial point: in general we wish to have systems that
+do not let the user devise a term of type $\bot$, otherwise our logic will be
+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{\lcbool}{\mathsf{Bool}}
+\newcommand{\lcforallz}[2]{\forall #1 \absspace.\absspace #2}
+\newcommand{\lcforall}[3]{\forall #1 : #2 \absspace.\absspace #3}
+\newcommand{\lcexists}[3]{\exists #1 : #2 \absspace.\absspace #3}
+
+The STLC can be made more expressive in various ways.  Henk Barendregt
+succinctly expressed geometrically how we can expand our type system:
+
+\begin{equation*}
+\xymatrix@!0@=1.5cm{
+  & \lambda\omega \ar@{-}[rr]\ar@{-}'[d][dd]
+  & & \lambda C \ar@{-}[dd]
+  \\
+  \lambda2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[rr]\ar@{-}[dd]
+  & & \lambda P2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[dd]
+  \\
+  & \lambda\underline\omega \ar@{-}'[r][rr]
+  & & \lambda P\underline\omega
+  \\
+  \lambda{\to} \ar@{-}[rr]\ar@{-}[ur]
+  & & \lambda P \ar@{-}[ur]
+}
+\end{equation*}
+Here $\lambda{\to}$, in the bottom left, is the STLC.  From there can move along
+3 dimensions:
 \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).
-  \item[Preservation] If a well-typed term takes a step of evaluation, then
-    the resulting term is also well typed.
+\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.
+\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: $(\abs{x : \lcbool}{\lcite{x}{\mathbb{N}}{\mathbb{Q}}}) : \lcbool \to \lctype$.
 \end{description}
 
-While the latter rule is clear, to understand the former property, consider the
-lambda calculus augmented with booleans:
+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.
 
-\newcommand{\lctt}{\mathsf{true}}
-\newcommand{\lcff}{\mathsf{false}}
-\newcommand{\lcite}[3]{\mathsf{if}\ #1\ \mathsf{then}\ #2\ \mathsf{else}\ #2}
-\newcommand{\lcbool}{\mathsf{Bool}}
+\section{Intuitionistic Type Theory}
 
-\begin{eqnarray*}
-  \termt & ::= & \dots \\
-         &  |  & \lctt \\
-         &  |  & \lcff \\
-         &  |  & \lcite{\termt}{\termm}{\termn}
-\end{eqnarray*}
-\begin{eqnarray*}
-  \lcite{\lctt}{\termt}{\termm} & \bred & \termt \\
-  \lcite{\lcff}{\termt}{\termm} & \bred & \termm
-\end{eqnarray*}
-\begin{eqnarray*}
-  \tau & ::= & \dots \\
-       &  |  & \lcbool
-\end{eqnarray*}
+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.
 
-Terms like $(\app{\lctt}{\lcff})$ are what we call ``stuck'': no reduction rule
-applies to it.  We the help of the type system, we can check that this does not
-happen:
+\newcommand{\lcset}[1]{\mathsf{Type}_{#1}}
+\newcommand{\lcsetz}{\mathsf{Type}}
+\newcommand{\defeq}{\equiv}
 
 \begin{center}
-  \begin{prooftree}
+  \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 \\
+         &  |  & \lcset{n} \\
+   n     & \in & \mathbb{N}
+ \end{eqnarray*}
+
+  \axdesc{typing}{\Gamma \vdash \termsyn : \termsyn}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c c}
     \AxiomC{}
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lctt : \lcbool$}
-  \end{prooftree}
-  \begin{prooftree}
+    \RightLabel{var}
+    \UnaryInfC{$\Gamma;x : \tya \vdash x : \tya$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \bot$}
+    \RightLabel{$\bot E$}
+    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcabsurd \termt : A$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \AxiomC{$\tya \defeq \tyb$}
+    \RightLabel{$\defeq$ type}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash \termt : \tyb$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \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{$\Gamma \vdash \app{\termt}{\termm} : \tyb[\termm / x]$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \tya$}
+    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tyb[\termt / x]$}
+    \RightLabel{$\exists I$}
+    \BinaryInfC{$\Gamma \vdash (\termt, \termm) : \lcexists{x}{\tya}{\tyb}$}
+    \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{$\Gamma \vdash \lcsnd \termt : \tyb[\lcfst \termt / x]$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \begin{tabular}{c c}
     \AxiomC{}
-    \UnaryInfC{$\Gamma \vdash \lcff : \lcbool$}
-  \end{prooftree}
-  \begin{prooftree}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termt : \lcbool$}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termm : \tau$}
-    \AxiomC{$\Gamma \vdash \termn : \tau$}
-    \TrinaryInfC{$\Gamma \vdash \lcite{\termt}{\termm}{\termn} : \tau$}
-  \end{prooftree}
+    \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{$\Gamma \vdash \lcexists{x}{\tya}{\tyb} : \lcset{n \sqcup m}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \vspace{0.5cm}
+
+  \axdesc{reduction}{\termsyn \bred \termsyn}
+  \begin{eqnarray*}
+    \app{(\abs{x}{\termt})}{\termm} & \bred & \termt[\termm / x] \\
+    \lcfst (\termt, \termm) & \bred & \termt \\
+    \lcsnd (\termt, \termm) & \bred & \termm
+  \end{eqnarray*}
 \end{center}
 
-Then $\Gamma \not{\vdash}\ \lctt : \tyarr{\tau}{\sigma}$ and thus
-$(\app{\lctt}{\lcff})$ won't be table.
+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.
+
+This relation is expressed in the typing rules for $\forall$ 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.
+
+$\forall$ 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.
+\end{description}
+
+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}
 
 \end{document}