64b1ca0c07de275555d9cfe55d4d6162f96cca64
[bitonic-mengthesis.git] / thesis.lagda
1 \documentclass[report, 11pt]{article}
2 \usepackage{etex}
3
4 \usepackage[sc,slantedGreek]{mathpazo}
5 \linespread{1.05}
6 % \usepackage{times}
7
8 \oddsidemargin  0in
9 \evensidemargin 0in
10 \textheight 9.5in 
11 \textwidth      6.2in
12 \topmargin      -7mm  
13 \parindent      10pt
14
15
16 %% Narrow margins
17 % \usepackage{fullpage}
18
19 %% Bibtex
20 \usepackage{natbib}
21
22 %% Links
23 \usepackage{hyperref}
24
25 %% Frames
26 \usepackage{framed}
27
28 %% Symbols
29 \usepackage[fleqn]{amsmath}
30 \usepackage{stmaryrd}           %llbracket
31
32 %% Proof trees
33 \usepackage{bussproofs}
34
35 %% Diagrams
36 \usepackage[all]{xy}
37
38 %% Quotations
39 \usepackage{epigraph}
40
41 %% Images
42 \usepackage{graphicx}
43
44 %% Subfigure
45 \usepackage{subcaption}
46
47 \usepackage{verbatim}
48
49 %% diagrams
50 \usepackage{tikz}
51 \usetikzlibrary{shapes,arrows,positioning}
52 % \usepackage{tikz-cd}
53 % \usepackage{pgfplots}
54
55
56 %% -----------------------------------------------------------------------------
57 %% Commands for Agda
58 \usepackage[english]{babel}
59 \usepackage[conor]{agda}
60 \renewcommand{\AgdaKeywordFontStyle}[1]{\ensuremath{\mathrm{\underline{#1}}}}
61 \renewcommand{\AgdaFunction}[1]{\textbf{\textcolor{AgdaFunction}{#1}}}
62 \renewcommand{\AgdaField}{\AgdaFunction}
63 % \definecolor{AgdaBound} {HTML}{000000}
64 \definecolor{AgdaHole} {HTML} {FFFF33}
65
66 \DeclareUnicodeCharacter{9665}{\ensuremath{\lhd}}
67 \DeclareUnicodeCharacter{964}{\ensuremath{\tau}}
68 \DeclareUnicodeCharacter{963}{\ensuremath{\sigma}}
69 \DeclareUnicodeCharacter{915}{\ensuremath{\Gamma}}
70 \DeclareUnicodeCharacter{8799}{\ensuremath{\stackrel{?}{=}}}
71 \DeclareUnicodeCharacter{9655}{\ensuremath{\rhd}}
72
73 \renewenvironment{code}%
74 {\noindent\ignorespaces\advance\leftskip\mathindent\AgdaCodeStyle\pboxed\small}%
75 {\endpboxed\par\noindent%
76 \ignorespacesafterend\small}
77
78
79 %% -----------------------------------------------------------------------------
80 %% Commands
81
82 \newcommand{\mysyn}{\AgdaKeyword}
83 \newcommand{\mytyc}{\AgdaDatatype}
84 \newcommand{\mydc}{\AgdaInductiveConstructor}
85 \newcommand{\myfld}{\AgdaField}
86 \newcommand{\myfun}{\AgdaFunction}
87 \newcommand{\myb}[1]{\AgdaBound{$#1$}}
88 \newcommand{\myfield}{\AgdaField}
89 \newcommand{\myind}{\AgdaIndent}
90 \newcommand{\mykant}{\textsc{Kant}}
91 \newcommand{\mysynel}[1]{#1}
92 \newcommand{\myse}{\mysynel}
93 \newcommand{\mytmsyn}{\mysynel{term}}
94 \newcommand{\mysp}{\ }
95 \newcommand{\myabs}[2]{\mydc{$\lambda$} #1 \mathrel{\mydc{$\mapsto$}} #2}
96 \newcommand{\myappsp}{\hspace{0.07cm}}
97 \newcommand{\myapp}[2]{#1 \myappsp #2}
98 \newcommand{\mysynsep}{\ \ |\ \ }
99 \newcommand{\myITE}[3]{\myfun{If}\, #1\, \myfun{Then}\, #2\, \myfun{Else}\, #3}
100
101 \FrameSep0.2cm
102 \newcommand{\mydesc}[3]{
103   \noindent
104   \mbox{
105     \parbox{\textwidth}{
106       {\small
107         \vspace{0.2cm}
108         \hfill \textbf{#1} $#2$
109         \framebox[\textwidth]{
110           \parbox{\textwidth}{
111             \vspace{0.1cm}
112             \centering{
113               #3
114             }
115             \vspace{0.2cm}
116           }
117         }
118       }
119     }
120   }
121 }
122
123 \newcommand{\mytmt}{\mysynel{t}}
124 \newcommand{\mytmm}{\mysynel{m}}
125 \newcommand{\mytmn}{\mysynel{n}}
126 \newcommand{\myred}{\leadsto}
127 \newcommand{\mysub}[3]{#1[#2 / #3]}
128 \newcommand{\mytysyn}{\mysynel{type}}
129 \newcommand{\mybasetys}{K}
130 \newcommand{\mybasety}[1]{B_{#1}}
131 \newcommand{\mytya}{\myse{A}}
132 \newcommand{\mytyb}{\myse{B}}
133 \newcommand{\mytycc}{\myse{C}}
134 \newcommand{\myarr}{\mathrel{\textcolor{AgdaDatatype}{\to}}}
135 \newcommand{\myprod}{\mathrel{\textcolor{AgdaDatatype}{\times}}}
136 \newcommand{\myctx}{\Gamma}
137 \newcommand{\myvalid}[1]{#1 \vdash \underline{\mathrm{valid}}}
138 \newcommand{\myjudd}[3]{#1 \vdash #2 : #3}
139 \newcommand{\myjud}[2]{\myjudd{\myctx}{#1}{#2}}
140 \newcommand{\myabss}[3]{\mydc{$\lambda$} #1 {:} #2 \mathrel{\mydc{$\mapsto$}} #3}
141 \newcommand{\mytt}{\mydc{$\langle\rangle$}}
142 \newcommand{\myunit}{\mytyc{Unit}}
143 \newcommand{\mypair}[2]{\mathopen{\mydc{$\langle$}}#1\mathpunct{\mydc{,}} #2\mathclose{\mydc{$\rangle$}}}
144 \newcommand{\myfst}{\myfld{fst}}
145 \newcommand{\mysnd}{\myfld{snd}}
146 \newcommand{\myconst}{\myse{c}}
147 \newcommand{\myemptyctx}{\cdot}
148 \newcommand{\myhole}{\AgdaHole}
149 \newcommand{\myfix}[3]{\mysyn{fix} \myappsp #1 {:} #2 \mapsto #3}
150 \newcommand{\mysum}{\mathbin{\textcolor{AgdaDatatype}{+}}}
151 \newcommand{\myleft}[1]{\mydc{left}_{#1}}
152 \newcommand{\myright}[1]{\mydc{right}_{#1}}
153 \newcommand{\myempty}{\mytyc{Empty}}
154 \newcommand{\mycase}[2]{\mathopen{\myfun{[}}#1\mathpunct{\myfun{,}} #2 \mathclose{\myfun{]}}}
155 \newcommand{\myabsurd}[1]{\myfun{absurd}_{#1}}
156 \newcommand{\myarg}{\_}
157 \newcommand{\myderivsp}{\vspace{0.3cm}}
158 \newcommand{\mytyp}{\mytyc{Type}}
159 \newcommand{\myneg}{\myfun{$\neg$}}
160 \newcommand{\myar}{\,}
161 \newcommand{\mybool}{\mytyc{Bool}}
162 \newcommand{\mytrue}{\mydc{true}}
163 \newcommand{\myfalse}{\mydc{false}}
164 \newcommand{\myitee}[5]{\myfun{if}\,#1 / {#2.#3}\,\myfun{then}\,#4\,\myfun{else}\,#5}
165 \newcommand{\mynat}{\mytyc{$\mathbb{N}$}}
166 \newcommand{\myrat}{\mytyc{$\mathbb{R}$}}
167 \newcommand{\myite}[3]{\myfun{if}\,#1\,\myfun{then}\,#2\,\myfun{else}\,#3}
168 \newcommand{\myfora}[3]{(#1 {:} #2) \myarr #3}
169 \newcommand{\myexi}[3]{(#1 {:} #2) \myprod #3}
170 \newcommand{\mypairr}[4]{\mathopen{\mydc{$\langle$}}#1\mathpunct{\mydc{,}} #4\mathclose{\mydc{$\rangle$}}_{#2{.}#3}}
171 \newcommand{\mylist}{\mytyc{List}}
172 \newcommand{\mynil}[1]{\mydc{[]}_{#1}}
173 \newcommand{\mycons}{\mathbin{\mydc{∷}}}
174 \newcommand{\myfoldr}{\myfun{foldr}}
175 \newcommand{\myw}[3]{\myapp{\myapp{\mytyc{W}}{(#1 {:} #2)}}{#3}}
176 \newcommand{\mynodee}{\mathbin{\mydc{$\lhd$}}}
177 \newcommand{\mynode}[2]{\mynodee_{#1.#2}}
178 \newcommand{\myrec}[4]{\myfun{rec}\,#1 / {#2.#3}\,\myfun{with}\,#4}
179 \newcommand{\mylub}{\sqcup}
180 \newcommand{\mydefeq}{\cong}
181 \newcommand{\myrefl}{\mydc{refl}}
182 \newcommand{\mypeq}[1]{\mathrel{\mytyc{=}_{#1}}}
183 \newcommand{\myjeqq}{\myfun{=-elim}}
184 \newcommand{\myjeq}[3]{\myapp{\myapp{\myapp{\myjeqq}{#1}}{#2}}{#3}}
185 \newcommand{\mysubst}{\myfun{subst}}
186 \newcommand{\myprsyn}{\myse{prop}}
187 \newcommand{\myprdec}[1]{\mathopen{\mytyc{$\llbracket$}} #1 \mathopen{\mytyc{$\rrbracket$}}}
188 \newcommand{\myand}{\mathrel{\mytyc{$\wedge$}}}
189 \newcommand{\mybigand}{\mathrel{\mytyc{$\bigwedge$}}}
190 \newcommand{\myprfora}[3]{\forall #1 {:} #2. #3}
191 \newcommand{\myimpl}{\mathrel{\mytyc{$\Rightarrow$}}}
192 \newcommand{\mybot}{\mytyc{$\bot$}}
193 \newcommand{\mytop}{\mytyc{$\top$}}
194 \newcommand{\mycoe}{\myfun{coe}}
195 \newcommand{\mycoee}[4]{\myapp{\myapp{\myapp{\myapp{\mycoe}{#1}}{#2}}{#3}}{#4}}
196 \newcommand{\mycoh}{\myfun{coh}}
197 \newcommand{\mycohh}[4]{\myapp{\myapp{\myapp{\myapp{\mycoh}{#1}}{#2}}{#3}}{#4}}
198 \newcommand{\myjm}[4]{(#1 {:} #2) \mathrel{\mytyc{=}} (#3 {:} #4)}
199 \newcommand{\myeq}{\mathrel{\mytyc{=}}}
200 \newcommand{\myprop}{\mytyc{Prop}}
201 \newcommand{\mytmup}{\mytmsyn\uparrow}
202 \newcommand{\mydefs}{\Delta}
203 \newcommand{\mynf}{\Downarrow}
204 \newcommand{\myinff}[3]{#1 \vdash #2 \Rightarrow #3}
205 \newcommand{\myinf}[2]{\myinff{\myctx}{#1}{#2}}
206 \newcommand{\mychkk}[3]{#1 \vdash #2 \Leftarrow #3}
207 \newcommand{\mychk}[2]{\mychkk{\myctx}{#1}{#2}}
208 \newcommand{\myann}[2]{#1 : #2}
209 \newcommand{\mydeclsyn}{\myse{decl}}
210 \newcommand{\myval}[3]{#1 : #2 \mapsto #3}
211 \newcommand{\mypost}[2]{\mysyn{abstract}\ #1 : #2}
212 \newcommand{\myadt}[4]{\mysyn{data}\ #1 #2\ \mysyn{where}\ #3\{ #4 \}}
213 \newcommand{\myreco}[4]{\mysyn{record}\ #1 #2\ \mysyn{where}\ \{ #4 \}}
214 \newcommand{\myelabt}{\vdash}
215 \newcommand{\myelabf}{\rhd}
216 \newcommand{\myelab}[2]{\myctx \myelabt #1 \myelabf #2}
217 \newcommand{\mytele}{\Delta}
218 \newcommand{\mytelee}{\delta}
219 \newcommand{\mydcctx}{\Gamma}
220 \newcommand{\mynamesyn}{\myse{name}}
221 \newcommand{\myvec}{\overrightarrow}
222 \newcommand{\mymeta}{\textsc}
223 \newcommand{\myhyps}{\mymeta{hyps}}
224 \newcommand{\mycc}{;}
225 \newcommand{\myemptytele}{\cdot}
226 \newcommand{\mymetagoes}{\Longrightarrow}
227 % \newcommand{\mytesctx}{\
228 \newcommand{\mytelesyn}{\myse{telescope}}
229 \newcommand{\myrecs}{\mymeta{recs}}
230 \newcommand{\myle}{\mathrel{\lcfun{$\le$}}}
231 \newcommand{\mylet}{\mysyn{let}}
232 \newcommand{\myhead}{\mymeta{head}}
233 \newcommand{\mytake}{\mymeta{take}}
234 \newcommand{\myix}{\mymeta{ix}}
235 \newcommand{\myapply}{\mymeta{apply}}
236 \newcommand{\mydataty}{\mymeta{datatype}}
237 \newcommand{\myisreco}{\mymeta{record}}
238 \newcommand{\mydcsep}{\ |\ }
239 \newcommand{\mytree}{\mytyc{Tree}}
240 \newcommand{\myproj}[1]{\myfun{$\pi_{#1}$}}
241 \newcommand{\mysigma}{\mytyc{$\Sigma$}}
242
243
244 %% -----------------------------------------------------------------------------
245
246 \title{\mykant: Implementing Observational Equality}
247 \author{Francesco Mazzoli \href{mailto:fm2209@ic.ac.uk}{\nolinkurl{<fm2209@ic.ac.uk>}}}
248 \date{June 2013}
249
250   \iffalse
251   \begin{code}
252     module thesis where
253   \end{code}
254   \fi
255
256 \begin{document}
257
258 \begin{titlepage}  
259   \centering
260
261   \maketitle
262   \thispagestyle{empty}
263
264   \begin{minipage}{0.4\textwidth}
265   \begin{flushleft} \large
266     \emph{Supervisor:}\\
267     Dr. Steffen \textsc{van Backel}
268   \end{flushleft}
269 \end{minipage}
270 \begin{minipage}{0.4\textwidth}
271   \begin{flushright} \large
272     \emph{Co-marker:} \\
273     Dr. Philippa \textsc{Gardner}
274   \end{flushright}
275 \end{minipage}
276
277 \end{titlepage}
278
279 \begin{abstract}
280   The marriage between programming and logic has been a very fertile one.  In
281   particular, since the simply typed lambda calculus (STLC), a number of type
282   systems have been devised with increasing expressive power.
283
284   Among this systems, Inutitionistic Type Theory (ITT) has been a very
285   popular framework for theorem provers and programming languages.
286   However, equality has always been a tricky business in ITT and related
287   theories.
288
289   In these thesis we will explain why this is the case, and present
290   Observational Type Theory (OTT), a solution to some of the problems
291   with equality.  We then describe $\mykant$, a theorem prover featuring
292   OTT in a setting more close to the one found in current systems.
293   Having implemented part of $\mykant$ as a Haskell program, we describe
294   some of the implementation issues faced.
295 \end{abstract}
296
297 \clearpage
298
299 \renewcommand{\abstractname}{Acknowledgements}
300 \begin{abstract}
301   I would like to thank Steffen van Backel, my supervisor, who was brave
302   enough to believe in my project and who provided much advice and
303   support.
304
305   I would also like to thank the Haskell and Agda community on
306   \texttt{IRC}, which guided me through the strange world of types; and
307   in particular Andrea Vezzosi and James Deikun, with whom I entertained
308   countless insightful discussions in the past year.  Andrea suggested
309   Observational Type Theory as a topic of study: this thesis would not
310   exist without him.  Before them, Tony Fields introduced me to Haskell,
311   unknowingly filling most of my free time from that time on.
312
313   Finally, much of the work stems from the research of Conor McBride,
314   who answered many of my doubts through these months.  I also owe him
315   the colours.
316 \end{abstract}
317
318 \clearpage
319
320 \tableofcontents
321
322 \clearpage
323
324 \section{Simple and not-so-simple types}
325 \label{sec:types}
326
327 \subsection{The untyped $\lambda$-calculus}
328
329 Along with Turing's machines, the earliest attempts to formalise computation
330 lead to the $\lambda$-calculus \citep{Church1936}.  This early programming
331 language encodes computation with a minimal syntax and no `data' in the
332 traditional sense, but just functions.  Here we give a brief overview of the
333 language, which will give the chance to introduce concepts central to the
334 analysis of all the following calculi.  The exposition follows the one found in
335 chapter 5 of \cite{Queinnec2003}.
336
337 The syntax of $\lambda$-terms consists of three things: variables, abstractions,
338 and applications:
339
340 \mydesc{syntax}{ }{
341   $
342   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
343     \mytmsyn & ::= & \myb{x} \mysynsep \myabs{\myb{x}}{\mytmsyn} \mysynsep (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
344     x          & \in & \text{Some enumerable set of symbols}
345   \end{array}
346   $
347 }
348
349 Parenthesis will be omitted in the usual way:
350 $\myapp{\myapp{\mytmt}{\mytmm}}{\mytmn} =
351 \myapp{(\myapp{\mytmt}{\mytmm})}{\mytmn}$.
352
353 Abstractions roughly corresponds to functions, and their semantics is more
354 formally explained by the $\beta$-reduction rule:
355
356 \mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
357   $
358   \begin{array}{l}
359     \myapp{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}\text{, where} \\
360     \myind{2}
361     \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
362       \mysub{\myb{x}}{\myb{x}}{\mytmn} & = & \mytmn \\
363       \mysub{\myb{y}}{\myb{x}}{\mytmn} & = & y\text{, with } \myb{x} \neq y \\
364       \mysub{(\myapp{\mytmt}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & = & (\myapp{\mysub{\mytmt}{\myb{x}}{\mytmn}}{\mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}}) \\
365       \mysub{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & = & \myabs{\myb{x}}{\mytmm} \\
366       \mysub{(\myabs{\myb{y}}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & = & \myabs{\myb{z}}{\mysub{\mysub{\mytmm}{\myb{y}}{\myb{z}}}{\myb{x}}{\mytmn}}, \\
367       \multicolumn{3}{l}{\myind{2} \text{with $\myb{x} \neq \myb{y}$ and $\myb{z}$ not free in $\myapp{\mytmm}{\mytmn}$}}
368     \end{array}
369   \end{array}
370   $
371 }
372
373 The care required during substituting variables for terms is required to avoid
374 name capturing.  We will use substitution in the future for other name-binding
375 constructs assuming similar precautions.
376
377 These few elements are of remarkable expressiveness, and in fact Turing
378 complete.  As a corollary, we must be able to devise a term that reduces forever
379 (`loops' in imperative terms):
380 {\small
381 \[
382   (\myapp{\omega}{\omega}) \myred (\myapp{\omega}{\omega}) \myred \cdots \text{, with $\omega = \myabs{x}{\myapp{x}{x}}$}
383 \]
384 }
385 A \emph{redex} is a term that can be reduced.  In the untyped $\lambda$-calculus
386 this will be the case for an application in which the first term is an
387 abstraction, but in general we call aterm reducible if it appears to the left of
388 a reduction rule.  When a term contains no redexes it's said to be in
389 \emph{normal form}.  Given the observation above, not all terms reduce to a
390 normal forms: we call the ones that do \emph{normalising}, and the ones that
391 don't \emph{non-normalising}.
392
393 The reduction rule presented is not syntax directed, but \emph{evaluation
394   strategies} can be employed to reduce term systematically. Common evaluation
395 strategies include \emph{call by value} (or \emph{strict}), where arguments of
396 abstractions are reduced before being applied to the abstraction; and conversely
397 \emph{call by name} (or \emph{lazy}), where we reduce only when we need to do so
398 to proceed---in other words when we have an application where the function is
399 still not a $\lambda$. In both these reduction strategies we never reduce under
400 an abstraction: for this reason a weaker form of normalisation is used, where
401 both abstractions and normal forms are said to be in \emph{weak head normal
402   form}.
403
404 \subsection{The simply typed $\lambda$-calculus}
405
406 A convenient way to `discipline' and reason about $\lambda$-terms is to assign
407 \emph{types} to them, and then check that the terms that we are forming make
408 sense given our typing rules \citep{Curry1934}.  The first most basic instance
409 of this idea takes the name of \emph{simply typed $\lambda$ calculus}, whose
410 rules are shown in figure \ref{fig:stlc}.
411
412 Our types contain a set of \emph{type variables} $\Phi$, which might
413 correspond to some `primitive' types; and $\myarr$, the type former for
414 `arrow' types, the types of functions.  The language is explicitly
415 typed: when we bring a variable into scope with an abstraction, we
416 declare its type.  Reduction is unchanged from the untyped
417 $\lambda$-calculus.
418
419 \begin{figure}[t]
420   \mydesc{syntax}{ }{
421     $
422     \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
423       \mytmsyn   & ::= & \myb{x} \mysynsep \myabss{\myb{x}}{\mytysyn}{\mytmsyn} \mysynsep
424       (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
425       \mytysyn   & ::= & \myse{\phi} \mysynsep \mytysyn \myarr \mytysyn  \mysynsep \\
426       \myb{x}    & \in & \text{Some enumerable set of symbols} \\
427       \myse{\phi} & \in & \Phi
428     \end{array}
429     $
430   }
431   
432   \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
433       \begin{tabular}{ccc}
434         \AxiomC{$\myctx(x) = A$}
435         \UnaryInfC{$\myjud{\myb{x}}{A}$}
436         \DisplayProof
437         &
438         \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : A}{\mytmt}{\mytyb}$}
439         \UnaryInfC{$\myjud{\myabss{x}{A}{\mytmt}}{\mytyb}$}
440         \DisplayProof
441         &
442         \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya \myarr \mytyb}$}
443         \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
444         \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mytyb}$}
445         \DisplayProof
446       \end{tabular}
447 }
448   \caption{Syntax and typing rules for the STLC.  Reduction is unchanged from
449     the untyped $\lambda$-calculus.}
450   \label{fig:stlc}
451 \end{figure}
452
453 In the typing rules, a context $\myctx$ is used to store the types of bound
454 variables: $\myctx; \myb{x} : \mytya$ adds a variable to the context and
455 $\myctx(x)$ returns the type of the rightmost occurrence of $x$.
456
457 This typing system takes the name of `simply typed lambda calculus' (STLC), and
458 enjoys a number of properties.  Two of them are expected in most type systems
459 \citep{Pierce2002}:
460 \begin{description}
461 \item[Progress] A well-typed term is not stuck---it is either a variable, or its
462   constructor does not appear on the left of the $\myred$ relation (currently
463   only $\lambda$), or it can take a step according to the evaluation rules.
464 \item[Preservation] If a well-typed term takes a step of evaluation, then the
465   resulting term is also well-typed, and preserves the previous type.  Also
466   known as \emph{subject reduction}.
467 \end{description}
468
469 However, STLC buys us much more: every well-typed term is normalising
470 \citep{Tait1967}.  It is easy to see that we can't fill the blanks if we want to
471 give types to the non-normalising term shown before:
472 \begin{equation*}
473   \myapp{(\myabss{\myb{x}}{\myhole{?}}{\myapp{\myb{x}}{\myb{x}}})}{(\myabss{\myb{x}}{\myhole{?}}{\myapp{\myb{x}}{\myb{x}}})}
474 \end{equation*}
475
476 This makes the STLC Turing incomplete.  We can recover the ability to loop by
477 adding a combinator that recurses:
478
479 \noindent
480 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
481 \mydesc{syntax}{ } {
482   $ \mytmsyn ::= \cdots b \mysynsep \myfix{\myb{x}}{\mytysyn}{\mytmsyn} $
483   \vspace{0.4cm}
484 }
485 \end{minipage} 
486 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
487 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}} {
488     \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytmt}{\mytya}$}
489     \UnaryInfC{$\myjud{\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}}{\mytya}$}
490     \DisplayProof
491 }
492 \end{minipage} 
493
494 \mydesc{reduction:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
495     $ \myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt} \myred \mysub{\mytmt}{\myb{x}}{(\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt})}$
496 }
497
498 This will deprive us of normalisation, which is a particularly bad thing if we
499 want to use the STLC as described in the next section.
500
501 \subsection{The Curry-Howard correspondence}
502
503 It turns out that the STLC can be seen a natural deduction system for
504 intuitionistic propositional logic.  Terms are proofs, and their types are the
505 propositions they prove.  This remarkable fact is known as the Curry-Howard
506 correspondence, or isomorphism.
507
508 The arrow ($\myarr$) type corresponds to implication.  If we wish to prove that
509 that $(\mytya \myarr \mytyb) \myarr (\mytyb \myarr \mytycc) \myarr (\mytya
510 \myarr \mytycc)$, all we need to do is to devise a $\lambda$-term that has the
511 correct type:
512 {\small\[
513   \myabss{\myb{f}}{(\mytya \myarr \mytyb)}{\myabss{\myb{g}}{(\mytyb \myarr \mytycc)}{\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myapp{\myb{g}}{(\myapp{\myb{f}}{\myb{x}})}}}}
514 \]}
515 That is, function composition.  Going beyond arrow types, we can extend our bare
516 lambda calculus with useful types to represent other logical constructs, as
517 shown in figure \ref{fig:natded}.
518
519 \begin{figure}[t]
520 \mydesc{syntax}{ }{
521   $
522   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
523     \mytmsyn & ::= & \cdots \\
524              &  |  & \mytt \mysynsep \myapp{\myabsurd{\mytysyn}}{\mytmsyn} \\
525              &  |  & \myapp{\myleft{\mytysyn}}{\mytmsyn} \mysynsep
526                      \myapp{\myright{\mytysyn}}{\mytmsyn} \mysynsep
527                      \myapp{\mycase{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
528              &  |  & \mypair{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
529                      \myapp{\myfst}{\mytmsyn} \mysynsep \myapp{\mysnd}{\mytmsyn} \\
530     \mytysyn & ::= & \cdots \mysynsep \myunit \mysynsep \myempty \mysynsep \mytmsyn \mysum \mytmsyn \mysynsep \mytysyn \myprod \mytysyn
531   \end{array}
532   $
533 }
534
535 \mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
536     \begin{tabular}{cc}
537       $
538       \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
539         \myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{(\myapp{\myleft{\mytya} &}{\mytmt})} & \myred &
540           \myapp{\mytmm}{\mytmt} \\
541         \myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{(\myapp{\myright{\mytya} &}{\mytmt})} & \myred &
542           \myapp{\mytmn}{\mytmt}
543       \end{array}
544       $
545       &
546       $
547       \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
548         \myapp{\myfst &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmm \\
549         \myapp{\mysnd &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmn
550       \end{array}
551       $
552     \end{tabular}
553 }
554
555 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
556     \begin{tabular}{cc}
557       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}}
558       \UnaryInfC{$\myjud{\mytt}{\myunit}$}
559       \DisplayProof
560       &
561       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}
562       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myabsurd{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya}$}
563       \DisplayProof
564     \end{tabular}
565
566   \myderivsp
567
568     \begin{tabular}{cc}
569       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
570       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myleft{\mytyb}}{\mytmt}}{\mytya \mysum \mytyb}$}
571       \DisplayProof
572       &
573       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
574       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myright{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya \mysum \mytyb}$}
575       \DisplayProof
576
577     \end{tabular}
578
579   \myderivsp
580
581     \begin{tabular}{cc}
582       \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya \myarr \mytyb}$}
583       \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya \myarr \mytycc}$}
584       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \mysum \mytyb}$}
585       \TrinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{\mytmt}}{\mytycc}$}
586       \DisplayProof
587     \end{tabular}
588
589   \myderivsp
590
591     \begin{tabular}{ccc}
592       \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
593       \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytyb}$}
594       \BinaryInfC{$\myjud{\mypair{\mytmm}{\mytmn}}{\mytya \myprod \mytyb}$}
595       \DisplayProof
596       &
597       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
598       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}$}
599       \DisplayProof
600       &
601       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
602       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mytyb}$}
603       \DisplayProof
604     \end{tabular}
605 }
606 \caption{Rules for the extendend STLC.  Only the new features are shown, all the
607   rules and syntax for the STLC apply here too.}
608   \label{fig:natded}
609 \end{figure}
610
611 Tagged unions (or sums, or coproducts---$\mysum$ here, \texttt{Either}
612 in Haskell) correspond to disjunctions, and dually tuples (or pairs, or
613 products---$\myprod$ here, tuples in Haskell) correspond to
614 conjunctions.  This is apparent looking at the ways to construct and
615 destruct the values inhabiting those types: for $\mysum$ $\myleft{ }$
616 and $\myright{ }$ correspond to $\vee$ introduction, and
617 $\mycase{\myarg}{\myarg}$ to $\vee$ elimination; for $\myprod$
618 $\mypair{\myarg}{\myarg}$ corresponds to $\wedge$ introduction, $\myfst$
619 and $\mysnd$ to $\wedge$ elimination.
620
621 The trivial type $\myunit$ corresponds to the logical $\top$, and dually
622 $\myempty$ corresponds to the logical $\bot$.  $\myunit$ has one introduction
623 rule ($\mytt$), and thus one inhabitant; and no eliminators.  $\myempty$ has no
624 introduction rules, and thus no inhabitants; and one eliminator ($\myabsurd{
625 }$), corresponding to the logical \emph{ex falso quodlibet}.
626
627 With these rules, our STLC now looks remarkably similar in power and use to the
628 natural deduction we already know.  $\myneg \mytya$ can be expressed as $\mytya
629 \myarr \myempty$.  However, there is an important omission: there is no term of
630 the type $\mytya \mysum \myneg \mytya$ (excluded middle), or equivalently
631 $\myneg \myneg \mytya \myarr \mytya$ (double negation), or indeed any term with
632 a type equivalent to those.
633
634 This has a considerable effect on our logic and it's no coincidence, since there
635 is no obvious computational behaviour for laws like the excluded middle.
636 Theories of this kind are called \emph{intuitionistic}, or \emph{constructive},
637 and all the systems analysed will have this characteristic since they build on
638 the foundation of the STLC\footnote{There is research to give computational
639   behaviour to classical logic, but I will not touch those subjects.}.
640
641 As in logic, if we want to keep our system consistent, we must make sure that no
642 closed terms (in other words terms not under a $\lambda$) inhabit $\myempty$.
643 The variant of STLC presented here is indeed
644 consistent, a result that follows from the fact that it is
645 normalising. % TODO explain
646 Going back to our $\mysyn{fix}$ combinator, it is easy to see how it ruins our
647 desire for consistency.  The following term works for every type $\mytya$,
648 including bottom:
649 {\small\[
650 (\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\myb{x}}) : \mytya
651 \]}
652
653 \subsection{Inductive data}
654 \label{sec:ind-data}
655
656 To make the STLC more useful as a programming language or reasoning tool it is
657 common to include (or let the user define) inductive data types.  These comprise
658 of a type former, various constructors, and an eliminator (or destructor) that
659 serves as primitive recursor.
660
661 For example, we might add a $\mylist$ type constructor, along with an `empty
662 list' ($\mynil{ }$) and `cons cell' ($\mycons$) constructor.  The eliminator for
663 lists will be the usual folding operation ($\myfoldr$).  See figure
664 \ref{fig:list}.
665
666 \begin{figure}[h]
667 \mydesc{syntax}{ }{
668   $
669   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
670     \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mynil{\mytysyn} \mysynsep \mytmsyn \mycons \mytmsyn
671                      \mysynsep
672                      \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\mytmsyn}}{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
673     \mytysyn & ::= & \cdots \mysynsep \myapp{\mylist}{\mytysyn}
674   \end{array}
675   $
676 }
677 \mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
678   $
679   \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
680     \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{\mynil{\mytya}} & \myred & \mytmt \\
681
682     \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{(\mytmm \mycons \mytmn)} & \myred &
683     \myapp{\myapp{\myse{f}}{\mytmm}}{(\myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{\mytmn})}
684   \end{array}
685   $
686 }
687 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
688     \begin{tabular}{cc}
689       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}}
690       \UnaryInfC{$\myjud{\mynil{\mytya}}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
691       \DisplayProof
692       &
693       \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
694       \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
695       \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mycons \mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
696       \DisplayProof
697     \end{tabular}
698   \myderivsp
699
700     \AxiomC{$\myjud{\mysynel{f}}{\mytya \myarr \mytyb \myarr \mytyb}$}
701     \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytyb}$}
702     \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
703     \TrinaryInfC{$\myjud{\myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\mysynel{f}}}{\mytmm}}{\mytmn}}{\mytyb}$}
704     \DisplayProof
705 }
706 \caption{Rules for lists in the STLC.}
707 \label{fig:list}
708 \end{figure}
709
710 In section \ref{sec:well-order} we will see how to give a general account of
711 inductive data.  %TODO does this make sense to have here?
712
713 \section{Intuitionistic Type Theory}
714 \label{sec:itt}
715
716 \subsection{Extending the STLC}
717
718 The STLC can be made more expressive in various ways.  \cite{Barendregt1991}
719 succinctly expressed geometrically how we can add expressivity:
720
721 $$
722 \xymatrix@!0@=1.5cm{
723   & \lambda\omega \ar@{-}[rr]\ar@{-}'[d][dd]
724   & & \lambda C \ar@{-}[dd]
725   \\
726   \lambda2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[rr]\ar@{-}[dd]
727   & & \lambda P2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[dd]
728   \\
729   & \lambda\underline\omega \ar@{-}'[r][rr]
730   & & \lambda P\underline\omega
731   \\
732   \lambda{\to} \ar@{-}[rr]\ar@{-}[ur]
733   & & \lambda P \ar@{-}[ur]
734 }
735 $$
736 Here $\lambda{\to}$, in the bottom left, is the STLC.  From there can move along
737 3 dimensions:
738 \begin{description}
739 \item[Terms depending on types (towards $\lambda{2}$)] We can quantify over
740   types in our type signatures.  For example, we can define a polymorphic
741   identity function:
742   {\small\[\displaystyle
743   (\myabss{\myb{A}}{\mytyp}{\myabss{\myb{x}}{\myb{A}}{\myb{x}}}) : (\myb{A} : \mytyp) \myarr \myb{A} \myarr \myb{A}
744   \]}
745   The first and most famous instance of this idea has been System F.  This form
746   of polymorphism and has been wildly successful, also thanks to a well known
747   inference algorithm for a restricted version of System F known as
748   Hindley-Milner.  Languages like Haskell and SML are based on this discipline.
749 \item[Types depending on types (towards $\lambda{\underline{\omega}}$)] We have
750   type operators.  For example we could define a function that given types $R$
751   and $\mytya$ forms the type that represents a value of type $\mytya$ in
752   continuation passing style: {\small\[\displaystyle(\myabss{\myb{A} \myar \myb{R}}{\mytyp}{(\myb{A}
753     \myarr \myb{R}) \myarr \myb{R}}) : \mytyp \myarr \mytyp \myarr \mytyp\]}
754 \item[Types depending on terms (towards $\lambda{P}$)] Also known as `dependent
755   types', give great expressive power.  For example, we can have values of whose
756   type depend on a boolean:
757   {\small\[\displaystyle(\myabss{\myb{x}}{\mybool}{\myite{\myb{x}}{\mynat}{\myrat}}) : \mybool
758   \myarr \mytyp\]}
759 \end{description}
760
761 All the systems preserve the properties that make the STLC well behaved.  The
762 system we are going to focus on, Intuitionistic Type Theory, has all of the
763 above additions, and thus would sit where $\lambda{C}$ sits in the
764 `$\lambda$-cube'.  It will serve as the logical `core' of all the other
765 extensions that we will present and ultimately our implementation of a similar
766 logic.
767
768 \subsection{A Bit of History}
769
770 Logic frameworks and programming languages based on type theory have a long
771 history.  Per Martin-L\"{o}f described the first version of his theory in 1971,
772 but then revised it since the original version was inconsistent due to its
773 impredicativity\footnote{In the early version there was only one universe
774   $\mytyp$ and $\mytyp : \mytyp$, see section \ref{sec:term-types} for an
775   explanation on why this causes problems.}.  For this reason he gave a revised
776 and consistent definition later \citep{Martin-Lof1984}.
777
778 A related development is the polymorphic $\lambda$-calculus, and specifically
779 the previously mentioned System F, which was developed independently by Girard
780 and Reynolds.  An overview can be found in \citep{Reynolds1994}.  The surprising
781 fact is that while System F is impredicative it is still consistent and strongly
782 normalising.  \cite{Coquand1986} further extended this line of work with the
783 Calculus of Constructions (CoC).
784
785 Most widely used interactive theorem provers are based on ITT.  Popular ones
786 include Agda \citep{Norell2007, Bove2009}, Coq \citep{Coq}, and Epigram
787 \citep{McBride2004, EpigramTut}.
788
789 \subsection{A note on inference}
790
791 % TODO do this, adding links to the sections about bidi type checking and
792 % implicit universes.
793 In the following text I will often omit explicit typing for abstractions or
794
795 Moreover, I will use $\mytyp$ without bothering to specify a
796 universe, with the silent assumption that the definition is consistent
797 regarding to the hierarchy.
798
799 \subsection{A simple type theory}
800 \label{sec:core-tt}
801
802 The calculus I present follows the exposition in \citep{Thompson1991},
803 and is quite close to the original formulation of predicative ITT as
804 found in \citep{Martin-Lof1984}.  The system's syntax and reduction
805 rules are presented in their entirety in figure \ref{fig:core-tt-syn}.
806 The typing rules are presented piece by piece.  Agda and \mykant\
807 renditions of the presented theory and all the examples is reproduced in
808 appendix \ref{app:itt-code}.
809
810 \begin{figure}[t]
811 \mydesc{syntax}{ }{
812   $
813   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
814     \mytmsyn & ::= & \myb{x} \mysynsep
815                      \mytyp_{l} \mysynsep
816                      \myunit \mysynsep \mytt \mysynsep
817                      \myempty \mysynsep \myapp{\myabsurd{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
818              &  |  & \mybool \mysynsep \mytrue \mysynsep \myfalse \mysynsep
819                      \myitee{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
820              &  |  & \myfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
821                      \myabss{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
822                      (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
823              &  |  & \myexi{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
824                      \mypairr{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
825              &  |  & \myapp{\myfst}{\mytmsyn} \mysynsep \myapp{\mysnd}{\mytmsyn} \\
826              &  |  & \myw{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
827                      \mytmsyn \mynode{\myb{x}}{\mytmsyn} \mytmsyn \\
828              &  |  & \myrec{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
829     l        & \in & \mathbb{N}
830   \end{array}
831   $
832 }
833
834 \mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
835     \begin{tabular}{ccc}
836       $
837       \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
838         \myitee{\mytrue &}{\myb{x}}{\myse{P}}{\mytmm}{\mytmn} & \myred & \mytmm \\
839         \myitee{\myfalse &}{\myb{x}}{\myse{P}}{\mytmm}{\mytmn} & \myred & \mytmn \\
840       \end{array}
841       $
842       &
843       $
844       \myapp{(\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}
845       $
846       &
847     $
848     \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
849       \myapp{\myfst &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmm \\
850       \myapp{\mysnd &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmn
851     \end{array}
852     $
853     \end{tabular}
854
855     \myderivsp
856
857     $
858     \myrec{(\myse{s} \mynode{\myb{x}}{\myse{T}} \myse{f})}{\myb{y}}{\myse{P}}{\myse{p}} \myred
859     \myapp{\myapp{\myapp{\myse{p}}{\myse{s}}}{\myse{f}}}{(\myabss{\myb{t}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myse{s}}}{
860       \myrec{\myapp{\myse{f}}{\myb{t}}}{\myb{y}}{\myse{P}}{\mytmt}
861     })}
862     $
863 }
864 \caption{Syntax and reduction rules for our type theory.}
865 \label{fig:core-tt-syn}
866 \end{figure}
867
868 \subsubsection{Types are terms, some terms are types}
869 \label{sec:term-types}
870
871 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
872     \begin{tabular}{cc}
873       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
874       \AxiomC{$\mytya \mydefeq \mytyb$}
875       \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
876       \DisplayProof
877       &
878       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}}
879       \UnaryInfC{$\myjud{\mytyp_l}{\mytyp_{l + 1}}$}
880       \DisplayProof
881     \end{tabular}
882 }
883
884 The first thing to notice is that a barrier between values and types that we had
885 in the STLC is gone: values can appear in types, and the two are treated
886 uniformly in the syntax.
887
888 While the usefulness of doing this will become clear soon, a consequence is
889 that since types can be the result of computation, deciding type equality is
890 not immediate as in the STLC.  For this reason we define \emph{definitional
891   equality}, $\mydefeq$, as the congruence relation extending
892 $\myred$---moreover, when comparing types syntactically we do it up to
893 renaming of bound names ($\alpha$-renaming).  For example under this
894 discipline we will find that
895 {\small\[
896 \myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myb{x}} \mydefeq \myabss{\myb{y}}{\mytya}{\myb{y}}
897 \]}
898 Types that are definitionally equal can be used interchangeably.  Here
899 the `conversion' rule is not syntax directed, but it is possible to
900 employ $\myred$ to decide term equality in a systematic way, by always
901 reducing terms to their normal forms before comparing them, so that a
902 separate conversion rule is not needed.  % TODO add section
903 Another thing to notice is that considering the need to reduce terms to
904 decide equality, it is essential for a dependently type system to be
905 terminating and confluent for type checking to be decidable.
906
907 Moreover, we specify a \emph{type hierarchy} to talk about `large'
908 types: $\mytyp_0$ will be the type of types inhabited by data:
909 $\mybool$, $\mynat$, $\mylist$, etc.  $\mytyp_1$ will be the type of
910 $\mytyp_0$, and so on---for example we have $\mytrue : \mybool :
911 \mytyp_0 : \mytyp_1 : \cdots$.  Each type `level' is often called a
912 universe in the literature.  While it is possible to simplify things by
913 having only one universe $\mytyp$ with $\mytyp : \mytyp$, this plan is
914 inconsistent for much the same reason that impredicative na\"{\i}ve set
915 theory is \citep{Hurkens1995}.  However various techniques can be
916 employed to lift the burden of explicitly handling universes, as we will
917 see in section \ref{sec:term-hierarchy}.
918
919 \subsubsection{Contexts}
920
921 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
922   \mydesc{context validity:}{\myvalid{\myctx}}{
923       \begin{tabular}{cc}
924         \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
925         \UnaryInfC{$\myvalid{\myemptyctx}$}
926         \DisplayProof
927         &
928         \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
929         \UnaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \myb{x} : \mytya}$}
930         \DisplayProof
931       \end{tabular}
932   }
933 \end{minipage} 
934 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
935   \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
936       \AxiomC{$\myctx(x) = \mytya$}
937       \UnaryInfC{$\myjud{\myb{x}}{\mytya}$}
938       \DisplayProof
939   }
940 \end{minipage}
941 \vspace{0.1cm}
942
943 We need to refine the notion context to make sure that every variable appearing
944 is typed correctly, or that in other words each type appearing in the context is
945 indeed a type and not a value.  In every other rule, if no premises are present,
946 we assume the context in the conclusion to be valid.
947
948 Then we can re-introduce the old rule to get the type of a variable for a
949 context.
950
951 \subsubsection{$\myunit$, $\myempty$}
952
953 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
954     \begin{tabular}{ccc}
955       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
956       \UnaryInfC{$\myjud{\myunit}{\mytyp_0}$}
957       \noLine
958       \UnaryInfC{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}
959       \DisplayProof
960       &
961       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
962       \UnaryInfC{$\myjud{\mytt}{\myunit}$}
963       \noLine
964       \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}}
965       \DisplayProof
966       &
967       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}
968       \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
969       \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\myabsurd{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya}$}
970       \noLine
971       \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}}
972       \DisplayProof
973     \end{tabular}
974 }
975
976 Nothing surprising here: $\myunit$ and $\myempty$ are unchanged from the STLC,
977 with the added rules to type $\myunit$ and $\myempty$ themselves, and to make
978 sure that we are invoking $\myabsurd{}$ over a type.
979
980 \subsubsection{$\mybool$, and dependent $\myfun{if}$}
981
982 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
983    \begin{tabular}{ccc}
984      \AxiomC{}
985      \UnaryInfC{$\myjud{\mybool}{\mytyp_0}$}
986      \DisplayProof
987      &
988      \AxiomC{}
989      \UnaryInfC{$\myjud{\mytrue}{\mybool}$}
990      \DisplayProof
991      &
992      \AxiomC{}
993       \UnaryInfC{$\myjud{\myfalse}{\mybool}$}
994       \DisplayProof
995     \end{tabular}
996     \myderivsp
997
998     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mybool}$}
999     \AxiomC{$\myjudd{\myctx : \mybool}{\mytya}{\mytyp_l}$}
1000     \noLine
1001     \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm}{\mysub{\mytya}{x}{\mytrue}}$ \hspace{0.7cm} $\myjud{\mytmn}{\mysub{\mytya}{x}{\myfalse}}$}
1002     \UnaryInfC{$\myjud{\myitee{\mytmt}{\myb{x}}{\mytya}{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytya}{\myb{x}}{\mytmt}}$}
1003     \DisplayProof
1004 }
1005
1006 With booleans we get the first taste of the `dependent' in `dependent
1007 types'.  While the two introduction rules ($\mytrue$ and $\myfalse$) are
1008 not surprising, the typing rules for $\myfun{if}$ are.  In most strongly
1009 typed languages we expect the branches of an $\myfun{if}$ statements to
1010 be of the same type, to preserve subject reduction, since execution
1011 could take both paths.  This is a pity, since the type system does not
1012 reflect the fact that in each branch we gain knowledge on the term we
1013 are branching on.  Which means that programs along the lines of
1014 {\small\[\text{\texttt{if null xs then head xs else 0}}\]}
1015 are a necessary, well typed, danger.
1016
1017 However, in a more expressive system, we can do better: the branches' type can
1018 depend on the value of the scrutinised boolean.  This is what the typing rule
1019 expresses: the user provides a type $\mytya$ ranging over an $\myb{x}$
1020 representing the scrutinised boolean type, and the branches are typechecked with
1021 the updated knowledge on the value of $\myb{x}$.
1022
1023 \subsubsection{$\myarr$, or dependent function}
1024
1025  \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1026      \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
1027      \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
1028      \BinaryInfC{$\myjud{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
1029      \DisplayProof
1030
1031      \myderivsp
1032
1033     \begin{tabular}{cc}
1034       \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytmt}{\mytyb}$}
1035       \UnaryInfC{$\myjud{\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1036       \DisplayProof
1037       &
1038       \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1039       \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
1040       \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmn}}$}
1041       \DisplayProof
1042     \end{tabular}
1043 }
1044
1045 Dependent functions are one of the two key features that perhaps most
1046 characterise dependent types---the other being dependent products.  With
1047 dependent functions, the result type can depend on the value of the
1048 argument.  This feature, together with the fact that the result type
1049 might be a type itself, brings a lot of interesting possibilities.
1050 Following this intuition, in the introduction rule, the return type is
1051 typechecked in a context with an abstracted variable of lhs' type, and
1052 in the elimination rule the actual argument is substituted in the return
1053 type.  Keeping the correspondence with logic alive, dependent functions
1054 are much like universal quantifiers ($\forall$) in logic.
1055
1056 For example, assuming that we have lists and natural numbers in our
1057 language, using dependent functions we would be able to
1058 write:
1059 {\small\[
1060 \begin{array}{l}
1061 \myfun{length} : (\myb{A} {:} \mytyp_0) \myarr \myapp{\mylist}{\myb{A}} \myarr \mynat \\
1062 \myarg \myfun{$>$} \myarg : \mynat \myarr \mynat \myarr \mytyp_0 \\
1063 \myfun{head} : (\myb{A} {:} \mytyp_0) \myarr (\myb{l} {:} \myapp{\mylist}{\myb{A}})
1064                \myarr \myapp{\myapp{\myfun{length}}{\myb{A}}}{\myb{l}} \mathrel{\myfun{>}} 0 \myarr
1065                \myb{A}
1066 \end{array}
1067 \]}
1068
1069 \myfun{length} is the usual polymorphic length function. $\myfun{>}$ is
1070 a function that takes two naturals and returns a type: if the lhs is
1071 greater then the rhs, $\myunit$ is returned, $\myempty$ otherwise.  This
1072 way, we can express a `non-emptyness' condition in $\myfun{head}$, by
1073 including a proof that the length of the list argument is non-zero.
1074 This allows us to rule out the `empty list' case, so that we can safely
1075 return the first element.
1076
1077 Again, we need to make sure that the type hierarchy is respected, which is the
1078 reason why a type formed by $\myarr$ will live in the least upper bound of the
1079 levels of argument and return type.  This trend will continue with the other
1080 type-level binders, $\myprod$ and $\mytyc{W}$.
1081
1082 \subsubsection{$\myprod$, or dependent product}
1083 \label{sec:disju}
1084
1085 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1086      \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
1087      \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
1088      \BinaryInfC{$\myjud{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
1089      \DisplayProof
1090
1091      \myderivsp
1092
1093     \begin{tabular}{cc}
1094       \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
1095       \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmm}}$}
1096       \BinaryInfC{$\myjud{\mypairr{\mytmm}{\myb{x}}{\mytyb}{\mytmn}}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1097       \noLine
1098       \UnaryInfC{\phantom{$--$}}
1099       \DisplayProof
1100       &
1101       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1102       \UnaryInfC{$\hspace{0.7cm}\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}\hspace{0.7cm}$}
1103       \noLine
1104       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myapp{\myfst}{\mytmt}}}$}
1105       \DisplayProof
1106     \end{tabular}
1107 }
1108
1109 If dependent functions are a generalisation of $\myarr$ in the STLC,
1110 dependent products are a generalisation of $\myprod$ in the STLC.  The
1111 improvement is that the second element's type can depend on the value of
1112 the first element.  The corrispondence with logic is through the
1113 existential quantifier: $\exists x \in \mathbb{N}. even(x)$ can be
1114 expressed as $\myexi{\myb{x}}{\mynat}{\myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}}$.
1115 The first element will be a number, and the second evidence that the
1116 number is even.  This highlights the fact that we are working in a
1117 constructive logic: if we have an existence proof, we can always ask for
1118 a witness.  This means, for instance, that $\neg \forall \neg$ is not
1119 equivalent to $\exists$.
1120
1121 Another perhaps more `dependent' application of products, paired with
1122 $\mybool$, is to offer choice between different types.  For example we
1123 can easily recover disjunctions:
1124 {\small\[
1125 \begin{array}{l}
1126   \myarg\myfun{$\vee$}\myarg : \mytyp_0 \myarr \mytyp_0 \myarr \mytyp_0 \\
1127   \myb{A} \mathrel{\myfun{$\vee$}} \myb{B} \mapsto \myexi{\myb{x}}{\mybool}{\myite{\myb{x}}{\myb{A}}{\myb{B}}} \\ \ \\
1128   \myfun{case} : (\myb{A}\ \myb{B}\ \myb{C} {:} \mytyp_0) \myarr (\myb{A} \myarr \myb{C}) \myarr (\myb{B} \myarr \myb{C}) \myarr \myb{A} \mathrel{\myfun{$\vee$}} \myb{B} \myarr \myb{C} \\
1129   \myfun{case} \myappsp \myb{A} \myappsp \myb{B} \myappsp \myb{C} \myappsp \myb{f} \myappsp \myb{g} \myappsp \myb{x} \mapsto \\
1130   \myind{2} \myapp{(\myitee{\myapp{\myfst}{\myb{b}}}{\myb{x}}{(\myite{\myb{b}}{\myb{A}}{\myb{B}})}{\myb{f}}{\myb{g}})}{(\myapp{\mysnd}{\myb{x}})}
1131 \end{array}
1132 \]}
1133
1134 \subsubsection{$\mytyc{W}$, or well-order}
1135 \label{sec:well-order}
1136
1137 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1138      \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
1139      \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
1140      \BinaryInfC{$\myjud{\myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
1141      \DisplayProof
1142
1143      \myderivsp
1144
1145      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
1146      \AxiomC{$\myjud{\mysynel{f}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmt} \myarr \myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1147      \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt \mynode{\myb{x}}{\mytyb} \myse{f}}{\myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1148      \DisplayProof
1149
1150      \myderivsp
1151
1152      \AxiomC{$\myjud{\myse{u}}{\myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}$}
1153      \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{w} : \myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}{\myse{P}}{\mytyp_l}$}
1154      \noLine
1155      \BinaryInfC{$\myjud{\myse{p}}{
1156        \myfora{\myb{s}}{\myse{S}}{\myfora{\myb{f}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myse{s}} \myarr \myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}{(\myfora{\myb{t}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myb{s}}}{\mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{t}}}}) \myarr \mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myb{f}}}}
1157      }$}
1158      \UnaryInfC{$\myjud{\myrec{\myse{u}}{\myb{w}}{\myse{P}}{\myse{p}}}{\mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myse{u}}}$}
1159      \DisplayProof
1160 }
1161
1162 Finally, the well-order type, or in short $\mytyc{W}$-type, which will
1163 let us represent inductive data in a general (but clumsy) way.  The core
1164 idea is to
1165
1166 % TODO finish
1167
1168
1169 \section{The struggle for equality}
1170 \label{sec:equality}
1171
1172 In the previous section we saw how a type checker (or a human) needs a
1173 notion of \emph{definitional equality}.  Beyond this meta-theoretic
1174 notion, in this section we will explore the ways of expressing equality
1175 \emph{inside} the theory, as a reasoning tool available to the user.
1176 This area is the main concern of this thesis, and in general a very
1177 active research topic, since we do not have a fully satisfactory
1178 solution, yet.  As in the previous section, everything presented is
1179 formalised in Agda in appendix \ref{app:agda-itt}.
1180
1181 \subsection{Propositional equality}
1182
1183 \noindent
1184 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
1185 \mydesc{syntax}{ }{
1186   $
1187   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
1188     \mytmsyn & ::= & \cdots \\
1189              &  |  & \mytmsyn \mypeq{\mytmsyn} \mytmsyn \mysynsep
1190                      \myapp{\myrefl}{\mytmsyn} \\
1191              &  |  & \myjeq{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}
1192   \end{array}
1193   $
1194 }
1195 \end{minipage} 
1196 \begin{minipage}{0.5\textwidth}
1197 \mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
1198     $
1199     \myjeq{\myse{P}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mytmn
1200     $
1201   \vspace{0.9cm}
1202 }
1203 \end{minipage}
1204
1205 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1206     \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
1207     \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
1208     \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
1209     \TrinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mypeq{\mytya} \mytmn}{\mytyp_l}$}
1210     \DisplayProof
1211
1212     \myderivsp
1213
1214     \begin{tabular}{cc}
1215       \AxiomC{$\begin{array}{c}\ \\\myjud{\mytmm}{\mytya}\hspace{1.1cm}\mytmm \mydefeq \mytmn\end{array}$}
1216       \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\mytmm}}{\mytmm \mypeq{\mytya} \mytmn}$}
1217       \DisplayProof
1218       &
1219       \AxiomC{$
1220         \begin{array}{c}
1221           \myjud{\myse{P}}{\myfora{\myb{x}\ \myb{y}}{\mytya}{\myfora{q}{\myb{x} \mypeq{\mytya} \myb{y}}{\mytyp_l}}} \\
1222           \myjud{\myse{q}}{\mytmm \mypeq{\mytya} \mytmn}\hspace{1.1cm}\myjud{\myse{p}}{\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmm}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}}
1223         \end{array}
1224         $}
1225       \UnaryInfC{$\myjud{\myjeq{\myse{P}}{\myse{q}}{\myse{p}}}{\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmn}}{q}}$}
1226       \DisplayProof
1227     \end{tabular}
1228 }
1229
1230 To express equality between two terms inside ITT, the obvious way to do so is
1231 to have the equality construction to be a type-former.  Here we present what
1232 has survived as the dominating form of equality in systems based on ITT up to
1233 the present day.
1234
1235 Our type former is $\mypeq{\mytya}$, which given a type (in this case
1236 $\mytya$) relates equal terms of that type.  $\mypeq{}$ has one introduction
1237 rule, $\myrefl$, which introduces an equality relation between definitionally
1238 equal terms.
1239
1240 Finally, we have one eliminator for $\mypeq{}$, $\myjeqq$.  $\myjeq{\myse{P}}{\myse{q}}{\myse{p}}$ takes
1241 \begin{itemize}
1242 \item $\myse{P}$, a predicate working with two terms of a certain type (say
1243   $\mytya$) and a proof of their equality
1244 \item $\myse{q}$, a proof that two terms in $\mytya$ (say $\myse{m}$ and
1245   $\myse{n}$) are equal
1246 \item and $\myse{p}$, an inhabitant of $\myse{P}$ applied to $\myse{m}$, plus
1247   the trivial proof by reflexivity showing that $\myse{m}$ is equal to itself
1248 \end{itemize}
1249 Given these ingredients, $\myjeqq$ retuns a member of $\myse{P}$ applied to
1250 $\mytmm$, $\mytmn$, and $\myse{q}$.  In other words $\myjeqq$ takes a
1251 witness that $\myse{P}$ works with \emph{definitionally equal} terms, and
1252 returns a witness of $\myse{P}$ working with \emph{propositionally equal}
1253 terms.  Invokations of $\myjeqq$ will vanish when the equality proofs will
1254 reduce to invocations to reflexivity, at which point the arguments must be
1255 definitionally equal, and thus the provided
1256 $\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmm}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}$
1257 can be returned.
1258
1259 While the $\myjeqq$ rule is slightly convoluted, ve can derive many more
1260 `friendly' rules from it, for example a more obvious `substitution' rule, that
1261 replaces equal for equal in predicates:
1262 {\small\[
1263 \begin{array}{l}
1264 \myfun{subst} : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myfora{\myb{P}}{\myb{A} \myarr \mytyp}{\myfora{\myb{x}\ \myb{y}}{\myb{A}}{\myb{x} \mypeq{\myb{A}} \myb{y} \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{x}} \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{y}}}}} \\
1265 \myfun{subst}\myappsp \myb{A}\myappsp\myb{P}\myappsp\myb{x}\myappsp\myb{y}\myappsp\myb{q}\myappsp\myb{p} \mapsto
1266   \myjeq{(\myabs{\myb{x}\ \myb{y}\ \myb{q}}{\myapp{\myb{P}}{\myb{y}}})}{\myb{p}}{\myb{q}}
1267 \end{array}
1268 \]}
1269 Once we have $\myfun{subst}$, we can easily prove more familiar laws regarding
1270 equality, such as symmetry, transitivity, and a congruence law.
1271
1272 % TODO finish this
1273
1274 \subsection{Common extensions}
1275
1276 Our definitional equality can be made larger in various ways, here we
1277 review some common extensions.
1278
1279 \subsubsection{Congruence laws and $\eta$-expansion}
1280
1281 A simple type-directed check that we can do on functions and records is
1282 $\eta$-expansion.  We can then have
1283
1284 \mydesc{definitional equality:}{\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytmsyn}}{
1285   \begin{tabular}{cc}
1286     \AxiomC{$\myjud{f \mydefeq (\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myapp{\myse{g}}{\myb{x}}})}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1287     \UnaryInfC{$\myjud{\myse{f} \mydefeq \myse{g}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1288     \DisplayProof
1289     &
1290     \AxiomC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mypair{\myapp{\myfst}{\mytmn}}{\myapp{\mysnd}{\mytmn}}}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1291     \UnaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
1292     \DisplayProof
1293   \end{tabular}
1294
1295   \myderivsp
1296
1297   \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\myunit}$}
1298   \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myunit}$}
1299   \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\myunit}$}
1300   \DisplayProof
1301 }
1302
1303 % TODO finish
1304
1305 \subsubsection{Uniqueness of identity proofs}
1306
1307 % TODO finish
1308 % TODO reference the fact that J does not imply J
1309 % TODO mention univalence
1310
1311
1312 \mydesc{definitional equality:}{\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytmsyn}}{
1313   \AxiomC{$
1314     \begin{array}{@{}c}
1315       \myjud{\myse{P}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myb{x} \mypeq{\mytya} \myb{x} \myarr \mytyp}} \\\
1316       \myjud{\myse{p}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{x} \myappsp (\myrefl \myapp \myb{x})}} \hspace{1cm}
1317       \myjud{\mytmt}{\mytya} \hspace{1cm}
1318       \myjud{\myse{q}}{\mytmt \mypeq{\mytya} \mytmt}
1319     \end{array}
1320     $}
1321   \UnaryInfC{$\myjud{\myfun{K} \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{p} \myappsp \myse{t} \myappsp \myse{q}}{\myse{P} \myappsp \mytmt \myappsp \myse{q}}$}
1322   \DisplayProof
1323 }
1324
1325 \subsection{Limitations}
1326
1327 \epigraph{\emph{Half of my time spent doing research involves thinking up clever
1328   schemes to avoid needing functional extensionality.}}{@larrytheliquid}
1329
1330 However, propositional equality as described is quite restricted when
1331 reasoning about equality beyond the term structure, which is what definitional
1332 equality gives us (extension notwithstanding).
1333
1334 The problem is best exemplified by \emph{function extensionality}.  In
1335 mathematics, we would expect to be able to treat functions that give equal
1336 output for equal input as the same.  When reasoning in a mechanised framework
1337 we ought to be able to do the same: in the end, without considering the
1338 operational behaviour, all functions equal extensionally are going to be
1339 replaceable with one another.
1340
1341 However this is not the case, or in other words with the tools we have we have
1342 no term of type
1343 {\small\[
1344 \myfun{ext} : \myfora{\myb{A}\ \myb{B}}{\mytyp}{\myfora{\myb{f}\ \myb{g}}{
1345     \myb{A} \myarr \myb{B}}{
1346         (\myfora{\myb{x}}{\myb{A}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mypeq{\myb{B}} \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}) \myarr
1347         \myb{f} \mypeq{\myb{A} \myarr \myb{B}} \myb{g}
1348     }
1349 }
1350 \]}
1351 To see why this is the case, consider the functions
1352 {\small\[\myabs{\myb{x}}{0 \mathrel{\myfun{+}} \myb{x}}$ and $\myabs{\myb{x}}{\myb{x} \mathrel{\myfun{+}} 0}\]}
1353 where $\myfun{+}$ is defined by recursion on the first argument,
1354 gradually destructing it to build up successors of the second argument.
1355 The two functions are clearly extensionally equal, and we can in fact
1356 prove that
1357 {\small\[
1358 \myfora{\myb{x}}{\mynat}{(0 \mathrel{\myfun{+}} \myb{x}) \mypeq{\mynat} (\myb{x} \mathrel{\myfun{+}} 0)}
1359 \]}
1360 By analysis on the $\myb{x}$.  However, the two functions are not
1361 definitionally equal, and thus we won't be able to get rid of the
1362 quantification.
1363
1364 For the reasons above, theories that offer a propositional equality
1365 similar to what we presented are called \emph{intensional}, as opposed
1366 to \emph{extensional}.  Most systems in wide use today (such as Agda,
1367 Coq, and Epigram) are of this kind.
1368
1369 This is quite an annoyance that often makes reasoning awkward to execute.  It
1370 also extends to other fields, for example proving bisimulation between
1371 processes specified by coinduction, or in general proving equivalences based
1372 on the behaviour on a term.
1373
1374 \subsection{Equality reflection}
1375
1376 One way to `solve' this problem is by identifying propositional equality with
1377 definitional equality:
1378
1379 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1380     \AxiomC{$\myjud{\myse{q}}{\mytmm \mypeq{\mytya} \mytmn}$}
1381     \UnaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytya}$}
1382     \DisplayProof
1383 }
1384
1385 This rule takes the name of \emph{equality reflection}, and is a very
1386 different rule from the ones we saw up to now: it links a typing judgement
1387 internal to the type theory to a meta-theoretic judgement that the type
1388 checker uses to work with terms.  It is easy to see the dangerous consequences
1389 that this causes:
1390 \begin{itemize}
1391 \item The rule is syntax directed, and the type checker is presumably expected
1392   to come up with equality proofs when needed.
1393 \item More worryingly, type checking becomes undecidable also because
1394   computing under false assumptions becomes unsafe, since we can use
1395   equality reflection and the conversion rule to have terms of any
1396   type.
1397   Consider for example {\small\[ \myabss{\myb{q}}{\mytya
1398       \mypeq{\mytyp} (\mytya \myarr \mytya)}{\myhole{?}}
1399   \]}
1400 Using the assumed proof in tandem with equality reflection we
1401 could easily write a classic Y combinator, sending the compiler into a
1402 loop.  In general, we using the conversion rule 
1403 % TODO check that this makes sense
1404 \end{itemize}
1405
1406 Given these facts theories employing equality reflection, like NuPRL
1407 \citep{NuPRL}, carry the derivations that gave rise to each typing judgement
1408 to keep the systems manageable.  % TODO more info, problems with that.
1409
1410 For all its faults, equality reflection does allow us to prove extensionality,
1411 using the extensions we gave above.  Assuming that $\myctx$ contains
1412 {\small\[\myb{A}, \myb{B} : \mytyp; \myb{f}, \myb{g} : \myb{A} \myarr \myb{B}; \myb{q} : \myfora{\myb{x}}{\myb{A}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mypeq{} \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}\]}
1413 We can then derive
1414 \begin{prooftree}
1415   \small
1416   \AxiomC{$\hspace{1.1cm}\myjudd{\myctx; \myb{x} : \myb{A}}{\myapp{\myb{q}}{\myb{x}}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mypeq{} \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}\hspace{1.1cm}$}
1417   \RightLabel{equality reflection}
1418   \UnaryInfC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \myb{A}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mydefeq \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}{\myb{B}}$}
1419   \RightLabel{congruence for $\lambda$s}
1420   \UnaryInfC{$\myjud{(\myabs{\myb{x}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}}) \mydefeq (\myabs{\myb{x}}{\myapp{\myb{g}}{\myb{x}}})}{\myb{A} \myarr \myb{B}}$}
1421   \RightLabel{$\eta$-law for $\lambda$}
1422   \UnaryInfC{$\hspace{1.45cm}\myjud{\myb{f} \mydefeq \myb{g}}{\myb{A} \myarr \myb{B}}\hspace{1.45cm}$}
1423   \RightLabel{$\myrefl$}
1424   \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\myb{f}}}{\myb{f} \mypeq{} \myb{g}}$}
1425 \end{prooftree}
1426
1427 Now, the question is: do we need to give up well-behavedness of our theory to
1428 gain extensionality?
1429
1430 \subsection{Some alternatives}
1431
1432 % TODO finish
1433 % TODO add `extentional axioms' (Hoffman), setoid models (Thorsten)
1434
1435 \section{Observational equality}
1436 \label{sec:ott}
1437
1438 A recent development by \citet{Altenkirch2007}, \emph{Observational Type
1439   Theory} (OTT), promises to keep the well behavedness of ITT while
1440 being able to gain many useful equality proofs\footnote{It is suspected
1441   that OTT gains \emph{all} the equality proofs of ETT, but no proof
1442   exists yet.}, including function extensionality.  The main idea is to
1443 give the user the possibility to \emph{coerce} (or transport) values
1444 from a type $\mytya$ to a type $\mytyb$, if the type checker can prove
1445 structurally that $\mytya$ and $\mytya$ are equal; and providing a
1446 value-level equality based on similar principles.  Here we give an
1447 exposition which follows closely the original paper.
1448
1449 \subsection{A simpler theory, a propositional fragment}
1450
1451 \mydesc{syntax}{ }{
1452     $\mytyp_l$ is replaced by $\mytyp$. \\\ \\
1453     $
1454     \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
1455       \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myprdec{\myprsyn} \mysynsep
1456                        \myITE{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
1457       \myprsyn & ::= & \mybot \mysynsep \mytop \mysynsep \myprsyn \myand \myprsyn
1458       \mysynsep \myprfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\myprsyn}
1459     \end{array}
1460     $
1461 }
1462
1463 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1464   \begin{tabular}{cc}
1465     \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
1466     \UnaryInfC{$\myjud{\myprdec{\myse{P}}}{\mytyp}$}
1467     \DisplayProof
1468     &
1469     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mybool}$}
1470     \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
1471     \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp}$}
1472     \TrinaryInfC{$\myjud{\myITE{\mytmt}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp}$}
1473     \DisplayProof
1474   \end{tabular}
1475 }
1476
1477 \mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
1478     \begin{tabular}{ccc}
1479       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}}
1480       \UnaryInfC{$\myjud{\mytop}{\myprop}$}
1481       \noLine
1482       \UnaryInfC{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}
1483       \DisplayProof
1484       &
1485       \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
1486       \AxiomC{$\myjud{\myse{Q}}{\myprop}$}
1487       \BinaryInfC{$\myjud{\myse{P} \myand \myse{Q}}{\myprop}$}
1488       \noLine
1489       \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
1490       \DisplayProof
1491       &
1492       \AxiomC{$\myjud{\myse{A}}{\mytyp}$}
1493       \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\myse{P}}{\myprop}$}
1494       \BinaryInfC{$\myjud{\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}}{\myprop}$}
1495       \noLine
1496       \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
1497       \DisplayProof
1498     \end{tabular}
1499 }
1500
1501 Our foundation will be a type theory like the one of section
1502 \ref{sec:itt}, with only one level: $\mytyp_0$.  In this context we will
1503 drop the $0$ and call $\mytyp_0$ $\mytyp$.  Moreover, since the old
1504 $\myfun{if}\myarg\myfun{then}\myarg\myfun{else}$ was able to return
1505 types thanks to the hierarchy (which is gone), we need to reintroduce an
1506 ad-hoc conditional for types, where the reduction rule is the obvious
1507 one.
1508
1509 However, we have an addition: a universe of \emph{propositions},
1510 $\myprop$.  $\myprop$ isolates a fragment of types at large, and
1511 indeed we can `inject' any $\myprop$ back in $\mytyp$ with $\myprdec{\myarg}$: \\
1512 \mydesc{proposition decoding:}{\myprdec{\mytmsyn} \myred \mytmsyn}{
1513     \begin{tabular}{cc}
1514     $
1515     \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
1516       \myprdec{\mybot} & \myred & \myempty \\
1517       \myprdec{\mytop} & \myred & \myunit
1518     \end{array}
1519     $
1520     &
1521     $
1522     \begin{array}{r@{ }c@{ }l@{\ }c@{\ }l}
1523       \myprdec{&\myse{P} \myand \myse{Q} &} & \myred & \myprdec{\myse{P}} \myprod \myprdec{\myse{Q}} \\
1524       \myprdec{&\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}} &} & \myred &
1525              \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myprdec{\myse{P}}}
1526     \end{array}
1527     $
1528     \end{tabular}
1529   } \\
1530   Propositions are what we call the types of \emph{proofs}, or types
1531   whose inhabitants contain no `data', much like $\myunit$.  The goal of
1532   doing this is twofold: erasing all top-level propositions when
1533   compiling; and to identify all equivalent propositions as the same, as
1534   we will see later.
1535
1536   Why did we choose what we have in $\myprop$?  Given the above
1537   criteria, $\mytop$ obviously fits the bill.  A pair of propositions
1538   $\myse{P} \myand \myse{Q}$ still won't get us data. Finally, if
1539   $\myse{P}$ is a proposition and we have
1540   $\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}$ , the decoding will be a
1541   function which returns propositional content.  The only threat is
1542   $\mybot$, by which we can fabricate anything we want: however if we
1543   are consistent there will be nothing of type $\mybot$ at the top
1544   level, which is what we care about regarding proof erasure.
1545
1546 \subsection{Equality proofs}
1547
1548 \mydesc{syntax}{ }{
1549     $
1550     \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
1551       \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep
1552       \mycoee{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
1553       \mycohh{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
1554       \myprsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mytmsyn \myeq \mytmsyn \mysynsep
1555       \myjm{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}
1556     \end{array}
1557     $
1558 }
1559
1560 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1561   \begin{tabular}{cc}
1562     \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
1563     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
1564     \BinaryInfC{$\myjud{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}$}
1565     \DisplayProof
1566     &
1567   \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
1568   \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
1569   \BinaryInfC{$\myjud{\mycohh{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\mytmt}{\mytya}{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}}}$}
1570   \DisplayProof
1571
1572   \end{tabular}
1573 }
1574
1575 \mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
1576     \begin{tabular}{cc}
1577       \AxiomC{$
1578         \begin{array}{l}
1579           \ \\
1580           \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\myse{B}}{\mytyp}
1581         \end{array}
1582         $}
1583       \UnaryInfC{$\myjud{\mytya \myeq \mytyb}{\myprop}$}
1584       \DisplayProof
1585       &
1586       \AxiomC{$
1587         \begin{array}{c}
1588           \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}} \\
1589           \myjud{\myse{B}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\mytmn}{\myse{B}}
1590         \end{array}
1591         $}
1592     \UnaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\myse{A}}{\mytmn}{\myse{B}}}{\myprop}$}
1593     \DisplayProof
1594
1595     \end{tabular}
1596 }
1597
1598
1599 While isolating a propositional universe as presented can be a useful
1600 exercises on its own, what we are really after is a useful notion of
1601 equality.  In OTT we want to maintain the notion that things judged to
1602 be equal are still always repleaceable for one another with no
1603 additional changes.  Note that this is not the same as saying that they
1604 are definitionally equal, since as we saw extensionally equal functions,
1605 while satisfying the above requirement, are not definitionally equal.
1606
1607 Towards this goal we introduce two equality constructs in
1608 $\myprop$---the fact that they are in $\myprop$ indicates that they
1609 indeed have no computational content.  The first construct, $\myarg
1610 \myeq \myarg$, relates types, the second,
1611 $\myjm{\myarg}{\myarg}{\myarg}{\myarg}$, relates values.  The
1612 value-level equality is different from our old propositional equality:
1613 instead of ranging over only one type, we might form equalities between
1614 values of different types---the usefulness of this construct will be
1615 clear soon.  In the literature this equality is known as `heterogeneous'
1616 or `John Major', since
1617
1618 \begin{quote}
1619   John Major's `classless society' widened people's aspirations to
1620   equality, but also the gap between rich and poor. After all, aspiring
1621   to be equal to others than oneself is the politics of envy. In much
1622   the same way, forms equations between members of any type, but they
1623   cannot be treated as equals (ie substituted) unless they are of the
1624   same type. Just as before, each thing is only equal to
1625   itself. \citep{McBride1999}.
1626 \end{quote}
1627
1628 Correspondingly, at the term level, $\myfun{coe}$ (`coerce') lets us
1629 transport values between equal types; and $\myfun{coh}$ (`coherence')
1630 guarantees that $\myfun{coe}$ respects the value-level equality, or in
1631 other words that it really has no computational component: if we
1632 transport $\mytmm : \mytya$ to $\mytmn : \mytyb$, $\mytmm$ and $\mytmn$
1633 will still be the same.
1634
1635 Before introducing the core ideas that make OTT work, let us distinguish
1636 between \emph{canonical} and \emph{neutral} types.  Canonical types are
1637 those arising from the ground types ($\myempty$, $\myunit$, $\mybool$)
1638 and the three type formers ($\myarr$, $\myprod$, $\mytyc{W}$).  Neutral
1639 types are those formed by
1640 $\myfun{If}\myarg\myfun{Then}\myarg\myfun{Else}\myarg$.
1641 Correspondingly, canonical terms are those inhabiting canonical types
1642 ($\mytt$, $\mytrue$, $\myfalse$, $\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}$,
1643 ...), and neutral terms those formed by eliminators\footnote{Using the
1644   terminology from section \ref{sec:types}, we'd say that canonical
1645   terms are in \emph{weak head normal form}.}.  In the current system
1646 (and hopefully in well-behaved systems), all closed terms reduce to a
1647 canonical term, and all canonical types are inhabited by canonical
1648 terms.
1649
1650 \subsubsection{Type equality, and coercions}
1651
1652 The plan is to decompose type-level equalities between canonical types
1653 into decodable propositions containing equalities regarding the
1654 subterms, and to use coerce recursively on the subterms using the
1655 generated equalities.  This interplay between type equalities and
1656 \myfun{coe} ensures that invocations of $\myfun{coe}$ will vanish when
1657 we have evidence of the structural equality of the types we are
1658 transporting terms across.  If the type is neutral, the equality won't
1659 reduce and thus $\myfun{coe}$ won't reduce either.  If we come an
1660 equality between different canonical types, then we reduce the equality
1661 to bottom, making sure that no such proof can exist, and providing an
1662 `escape hatch' in $\myfun{coe}$.
1663
1664 \begin{figure}[t]
1665
1666 \mydesc{equality reduction:}{\myprsyn \myred \myprsyn}{
1667     $
1668       \begin{array}{c@{\ }c@{\ }c@{\ }l}
1669         \myempty & \myeq & \myempty & \myred \mytop \\
1670         \myunit  & \myeq &  \myunit & \myred  \mytop \\
1671         \mybool  & \myeq &  \mybool &   \myred  \mytop \\
1672         \myexi{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myexi{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytya_2} & \myred \\
1673         \multicolumn{4}{l}{
1674           \myind{2} \mytya_1 \myeq \mytyb_1 \myand 
1675                   \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2}} \myimpl \mytyb_1[\myb{x_1}] \myeq \mytyb_2[\myb{x_2}]}
1676                   } \\
1677       \myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2} & \myred \cdots \\
1678       \myw{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myw{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2} & \myred \cdots \\
1679       \mytya & \myeq & \mytyb & \myred \mybot\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical.}
1680       \end{array}
1681     $
1682 }
1683 \myderivsp
1684 \mydesc{reduction}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
1685   $
1686   \begin{array}[t]{@{}l@{\ }l@{\ }l@{\ }l@{\ }l@{\ }c@{\ }l@{\ }}
1687     \mycoe & \myempty & \myempty & \myse{Q} & \myse{t} & \myred & \myse{t} \\
1688     \mycoe & \myunit  & \myunit  & \myse{Q} & \mytt & \myred & \mytt \\
1689     \mycoe & \mybool  & \mybool  & \myse{Q} & \mytrue & \myred & \mytrue \\
1690     \mycoe & \mybool  & \mybool  & \myse{Q} & \myfalse & \myred & \myfalse \\
1691     \mycoe & (\myexi{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
1692              (\myexi{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
1693              \mytmt_1 & \myred & \\
1694              \multicolumn{7}{l}{
1695              \myind{2}\begin{array}[t]{l@{\ }l@{\ }c@{\ }l}
1696                \mysyn{let} & \myb{\mytmm_1} & \mapsto & \myapp{\myfst}{\mytmt_1} : \mytya_1 \\
1697                            & \myb{\mytmn_1} & \mapsto & \myapp{\mysnd}{\mytmt_1} : \mysub{\mytyb_1}{\myb{x_1}}{\myb{\mytmm_1}} \\
1698                            & \myb{Q_A}      & \mapsto & \myapp{\myfst}{\myse{Q}} : \mytya_1 \myeq \mytya_2 \\
1699                            & \myb{\mytmm_2} & \mapsto & \mycoee{\mytya_1}{\mytya_2}{\myb{Q_A}}{\myb{\mytmm_1}} : \mytya_2 \\
1700                            & \myb{Q_B}      & \mapsto & (\myapp{\mysnd}{\myse{Q}}) \myappsp \myb{\mytmm_1} \myappsp \myb{\mytmm_2} \myappsp (\mycohh{\mytya_1}{\mytya_2}{\myb{Q_A}}{\myb{\mytmm_1}}) : \\ & & & \myprdec{\mysub{\mytyb_1}{\myb{x_1}}{\myb{\mytmm_1}} \myeq \mysub{\mytyb_2}{\myb{x_2}}{\myb{\mytmm_2}}} \\
1701                            & \myb{\mytmn_2} & \mapsto & \mycoee{\mysub{\mytyb_1}{\myb{x_1}}{\myb{\mytmm_1}}}{\mysub{\mytyb_2}{\myb{x_2}}{\myb{\mytmm_2}}}{\myb{Q_B}}{\myb{\mytmn_1}} : \mysub{\mytyb_2}{\myb{x_2}}{\myb{\mytmm_2}} \\
1702                \mysyn{in}  & \multicolumn{3}{@{}l}{\mypair{\myb{\mytmm_2}}{\myb{\mytmn_2}}}
1703               \end{array}} \\
1704
1705     \mycoe & (\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
1706              (\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
1707              \mytmt & \myred &
1708            \cdots \\
1709
1710     \mycoe & (\myw{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
1711              (\myw{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
1712              \mytmt & \myred &
1713            \cdots \\
1714
1715     \mycoe & \mytya & \mytyb & \myse{Q} & \mytmt & \myred &  \\
1716     \multicolumn{7}{l}{
1717       \myind{2}\myapp{\myabsurd{\mytyb}}{\myse{Q}}\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical.}
1718     }
1719   \end{array}
1720   $
1721 }
1722 \caption{Reducing type equalities, and using them when
1723   $\myfun{coe}$rcing.}
1724 \label{fig:eqred}
1725 \end{figure}
1726
1727 Figure \ref{fig:eqred} illustrates this idea in practice.  For ground
1728 types, the proof is the trivial element, and \myfun{coe} is the
1729 identity.  For the three type binders, things are similar but subtly
1730 different---the choices we make in the type equality are dictated by
1731 the desire of writing the $\myfun{coe}$ in a natural way.
1732
1733 $\myprod$ is the easiest case: we decompose the proof into proofs that
1734 the first element's types are equal ($\mytya_1 \myeq \mytya_2$), and a
1735 proof that given equal values in the first element, the types of the
1736 second elements are equal too
1737 ($\myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2}}
1738   \myimpl \mytyb_1 \myeq \mytyb_2}$)\footnote{We are using $\myimpl$ to
1739   indicate a $\forall$ where we discard the first value.  We write
1740   $\mytyb_1[\myb{x_1}]$ to indicate that the $\myb{x_1}$ in $\mytyb_1$
1741   is re-bound to the $\myb{x_1}$ quantified by the $\forall$, and
1742   similarly for $\myb{x_2}$ and $\mytyb_2$.}.  This also explains the
1743 need for heterogeneous equality, since in the second proof it would be
1744 awkward to express the fact that $\myb{A_1}$ is the same as $\myb{A_2}$.
1745 In the respective $\myfun{coe}$ case, since the types are canonical, we
1746 know at this point that the proof of equality is a pair of the shape
1747 described above.  Thus, we can immediately coerce the first element of
1748 the pair using the first element of the proof, and then instantiate the
1749 second element with the two first elements and a proof by coherence of
1750 their equality, since we know that the types are equal.  The cases for
1751 the other binders are omitted for brevity, but they follow the same
1752 principle.
1753
1754 \subsubsection{$\myfun{coe}$, laziness, and $\myfun{coh}$erence}
1755
1756 It is important to notice that in the reduction rules for $\myfun{coe}$
1757 are never obstructed by the proofs: with the exception of comparisons
1758 between different canonical types we never pattern match on the pairs,
1759 but always look at the projections.  This means that, as long as we are
1760 consistent, and thus as long as we don't have $\mybot$-inducing proofs,
1761 we can add propositional axioms for equality and $\myfun{coe}$ will
1762 still compute.  Thus, we can take $\myfun{coh}$ as axiomatic, and we can
1763 add back familiar useful equality rules:
1764
1765 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
1766   \begin{tabular}{cc}
1767   \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
1768   \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\myb{x}}{\myb{\mytya}}{\myb{x}}{\myb{\mytya}}}}$}
1769   \DisplayProof
1770   &
1771   \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
1772   \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp}$}
1773   \BinaryInfC{$\myjud{\mytyc{R} \myappsp (\myb{x} {:} \mytya) \myappsp \mytyb}{\myfora{\myb{y}\, \myb{z}}{\mytya}{\myprdec{\myjm{\myb{y}}{\mytya}{\myb{z}}{\mytya} \myimpl \mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myb{y}} \myeq \mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myb{z}}}}}$}
1774   \DisplayProof
1775   \end{tabular}
1776 }
1777
1778 $\myrefl$ is the equivalent of the reflexivity rule in propositional
1779 equality, and $\mytyc{R}$ asserts that if we have a we have a $\mytyp$
1780 abstracting over a value we can substitute equal for equal---this lets
1781 us recover $\myfun{subst}$.  Note that while we need to provide ad-hoc
1782 rules in the restricted, non-hierarchical theory that we have, if our
1783 theory supports abstraction over $\mytyp$s we can easily add these
1784 axioms as abstracted variables.
1785
1786 \subsubsection{Value-level equality}
1787
1788 \mydesc{equality reduction:}{\myprsyn \myred \myprsyn}{
1789   $
1790   \begin{array}{r@{ }c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }c@{\ }r@{}c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }l}
1791     (&\mytmt_1 & : & \myempty&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myempty &) & \myred \mytop \\
1792     (&\mytmt_1 & : & \myempty&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myempty&) & \myred \mytop \\
1793     (&\mytrue & : & \mybool&) & \myeq & (&\mytrue & : & \mybool&) & \myred \mytop \\
1794     (&\myfalse & : & \mybool&) & \myeq & (&\myfalse & : & \mybool&) & \myred \mytop \\
1795     (&\mytmt_1 & : & \mybool&) & \myeq & (&\mytmt_1 & : & \mybool&) & \myred \mybot \\
1796     (&\mytmt_1 & : & \myexi{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myexi{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}&) & \myred \\
1797      & \multicolumn{11}{@{}l}{
1798       \myind{2} \myjm{\myapp{\myfst}{\mytmt_1}}{\mytya_1}{\myapp{\myfst}{\mytmt_2}}{\mytya_2} \myand
1799       \myjm{\myapp{\mysnd}{\mytmt_1}}{\mysub{\mytyb_1}{\myb{x_1}}{\myapp{\myfst}{\mytmt_1}}}{\myapp{\mysnd}{\mytmt_2}}{\mysub{\mytyb_2}{\myb{x_2}}{\myapp{\myfst}{\mytmt_2}}}
1800     } \\
1801    (&\myse{f}_1 & : & \myfora{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}&) & \myeq & (&\myse{f}_2 & : & \myfora{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}&) & \myred \\
1802      & \multicolumn{11}{@{}l}{
1803        \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
1804            \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
1805            \myjm{\myapp{\myse{f}_1}{\myb{x_1}}}{\mytyb_1[\myb{x_1}]}{\myapp{\myse{f}_2}{\myb{x_2}}}{\mytyb_2[\myb{x_2}]}
1806          }}
1807     } \\
1808    (&\mytmt_1 \mynodee \myse{f}_1 & : & \myw{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}&) & \myeq & (&\mytmt_1 \mynodee \myse{f}_1 & : & \myw{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}&) & \myred \cdots \\
1809     (&\mytmt_1 & : & \mytya_1&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \mytya_2 &) & \myred \\
1810     & \multicolumn{11}{@{}l}{
1811       \myind{2} \mybot\ \text{if $\mytya_1$ and $\mytya_2$ are canonical.}
1812     }
1813   \end{array}
1814   $
1815 }
1816
1817 As with type-level equality, we want value-level equality to reduce
1818 based on the structure of the compared terms.
1819
1820 \subsection{Proof irrelevance}
1821
1822 % \section{Augmenting ITT}
1823 % \label{sec:practical}
1824
1825 % \subsection{A more liberal hierarchy}
1826
1827 % \subsection{Type inference}
1828
1829 % \subsubsection{Bidirectional type checking}
1830
1831 % \subsubsection{Pattern unification}
1832
1833 % \subsection{Pattern matching and explicit fixpoints}
1834
1835 % \subsection{Induction-recursion}
1836
1837 % \subsection{Coinduction}
1838
1839 % \subsection{Dealing with partiality}
1840
1841 % \subsection{Type holes}
1842
1843 \section{\mykant : the theory}
1844 \label{sec:kant-theory}
1845
1846 \mykant\ is an interactive theorem prover developed as part of this thesis.
1847 The plan is to present a core language which would be capable of serving as
1848 the basis for a more featureful system, while still presenting interesting
1849 features and more importantly observational equality.
1850
1851 The author learnt the hard way the implementations challenges for such a
1852 project, and while there is a solid and working base to work on, observational
1853 equality is not currently implemented.  However, a detailed plan on how to add
1854 it this functionality is provided, and should not prove to be too much work.
1855
1856 The features currently implemented in \mykant\ are:
1857
1858 \begin{description}
1859 \item[Full dependent types] As we would expect, we have dependent a system
1860   which is as expressive as the `best' corner in the lambda cube described in
1861   section \ref{sec:itt}.
1862
1863 \item[Implicit, cumulative universe hierarchy] The user does not need to
1864   specify universe level explicitly, and universes are \emph{cumulative}.
1865
1866 \item[User defined data types and records] Instead of forcing the user to
1867   choose from a restricted toolbox, we let her define inductive data types,
1868   with associated primitive recursion operators; or records, with associated
1869   projections for each field.
1870
1871 \item[Bidirectional type checking] While no `fancy' inference via unification
1872   is present, we take advantage of an type synthesis system in the style of
1873   \cite{Pierce2000}, extending the concept for user defined data types.
1874
1875 \item[Type holes] When building up programs interactively, it is useful to
1876   leave parts unfinished while exploring the current context.  This is what
1877   type holes are for.
1878 \end{description}
1879
1880 The planned features are:
1881
1882 \begin{description}
1883 \item[Observational equality] As described in section \ref{sec:ott} but
1884   extended to work with the type hierarchy and to admit equality between
1885   arbitrary data types.
1886
1887 \item[Coinductive data] ...
1888 \end{description}
1889
1890 We will analyse the features one by one, along with motivations and tradeoffs
1891 for the design decisions made.
1892
1893 \subsection{Bidirectional type checking}
1894
1895 We start by describing bidirectional type checking since it calls for fairly
1896 different typing rules that what we have seen up to now.  The idea is to have
1897 two kind of terms: terms for which a type can always be inferred, and terms
1898 that need to be checked against a type.  A nice observation is that this
1899 duality runs through the semantics of the terms: data destructors (function
1900 application, record projections, primitive re cursors) \emph{infer} types,
1901 while data constructors (abstractions, record/data types data constructors)
1902 need to be checked.  In the literature these terms are respectively known as
1903
1904 To introduce the concept and notation, we will revisit the STLC in a
1905 bidirectional style.  The presentation follows \cite{Loh2010}.
1906
1907 % TODO do this --- is it even necessary
1908
1909 % The syntax of 
1910
1911 \subsection{Base terms and types}
1912
1913 Let us begin by describing the primitives available without the user
1914 defining any data types, and without equality.  The way we handle
1915 variables and substitution is left unspecified, and explained in section
1916 \ref{sec:term-repr}, along with other implementation issues.  We are
1917 also going to give an account of the implicit type hierarchy separately
1918 in section \ref{sec:term-hierarchy}, so as not to clutter derivation
1919 rules too much, and just treat types as impredicative for the time
1920 being.
1921
1922 \mydesc{syntax}{ }{
1923   $
1924   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
1925     \mytmsyn & ::= & \mynamesyn \mysynsep \mytyp \\
1926     &  |  & \myfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
1927     \myabs{\myb{x}}{\mytmsyn} \mysynsep
1928     (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \mysynsep
1929     (\myann{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
1930     \mynamesyn & ::= & \myb{x} \mysynsep \myfun{f}
1931   \end{array}
1932   $
1933 }
1934
1935 The syntax for our calculus includes just two basic constructs:
1936 abstractions and $\mytyp$s.  Everything else will be provided by
1937 user-definable constructs.  Since we let the user define values, we will
1938 need a context capable of carrying the body of variables along with
1939 their type.  Bound names and defined names are treated separately in the
1940 syntax, and while both can be associated to a type in the context, only
1941 defined names can be associated with a body:
1942
1943 \mydesc{context validity:}{\myvalid{\myctx}}{
1944     \begin{tabular}{ccc}
1945       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
1946       \UnaryInfC{$\myvalid{\myemptyctx}$}
1947       \DisplayProof
1948       &
1949       \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
1950       \AxiomC{$\mynamesyn \not\in \myctx$}
1951       \BinaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \mynamesyn : \mytya}$}
1952       \DisplayProof
1953       &
1954       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
1955       \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
1956       \BinaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya}$}
1957       \DisplayProof
1958     \end{tabular}
1959 }
1960
1961 Now we can present the reduction rules, which are unsurprising.  We have
1962 the usual function application ($\beta$-reduction), but also a rule to
1963 replace names with their bodies ($\delta$-reduction), and one to discard
1964 type annotations.  For this reason reduction is done in-context, as
1965 opposed to what we have seen in the past:
1966
1967 \mydesc{reduction:}{\myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{
1968     \begin{tabular}{ccc}
1969       \AxiomC{\phantom{$\myb{x} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}}
1970       \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myapp{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\mytmn}
1971                   \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}$}
1972       \DisplayProof
1973       &
1974       \AxiomC{$\myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}
1975       \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myfun{f} \myred \mytmt$}
1976       \DisplayProof
1977       &
1978       \AxiomC{\phantom{$\myb{x} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}}
1979       \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myann{\mytmm}{\mytya} \myred \mytmm$}
1980       \DisplayProof
1981     \end{tabular}
1982 }
1983
1984 We can now give types to our terms.  The type of names, both defined and
1985 abstract, is inferred.  The type of applications is inferred too,
1986 propagating types down the applied term.  Abstractions are checked.
1987 Finally, we have a rule to check the type of an inferrable term.  We
1988 defer the question of term equality (which is needed for type checking)
1989 to section \label{sec:kant-irr}.
1990
1991 \mydesc{typing:}{\myctx \vdash \mytmsyn \Leftrightarrow \mytmsyn}{   
1992     \begin{tabular}{ccc}
1993       \AxiomC{$\myse{name} : A \in \myctx$}
1994       \UnaryInfC{$\myinf{\myse{name}}{A}$}
1995       \DisplayProof
1996       &
1997       \AxiomC{$\myfun{f} \mapsto \mytmt : A \in \myctx$}
1998       \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{f}}{A}$}
1999       \DisplayProof
2000       &
2001       \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytya}$}
2002       \UnaryInfC{$\mychk{\myann{\mytmt}{\mytya}}{\mytya}$}
2003       \DisplayProof
2004     \end{tabular}
2005     \myderivsp
2006
2007     \begin{tabular}{ccc}
2008       \AxiomC{$\myinf{\mytmm}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
2009       \AxiomC{$\mychk{\mytmn}{\mytya}$}
2010       \BinaryInfC{$\myinf{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmn}}$}
2011       \DisplayProof
2012
2013       &
2014
2015       \AxiomC{$\mychkk{\myctx; \myb{x}: \mytya}{\mytmt}{\mytyb}$}
2016       \UnaryInfC{$\mychk{\myabs{\myb{x}}{\mytmt}}{\myfora{\myb{x}}{\mytyb}{\mytyb}}$}
2017       \DisplayProof
2018     \end{tabular}
2019 }
2020
2021 \subsection{Elaboration}
2022
2023 As we mentioned, $\mykant$\ allows the user to define not only values
2024 but also custom data types and records.  \emph{Elaboration} consists of
2025 turning these declarations into workable syntax, types, and reduction
2026 rules.  The treatment of custom types in $\mykant$\ is heavily inspired
2027 by McBride and McKinna early work on Epigram \citep{McBride2004},
2028 although with some differences.
2029
2030 \subsubsection{Term vectors, telescopes, and assorted notation}
2031
2032 We use a vector notation to refer to a series of term applied to
2033 another, for example $\mytyc{D} \myappsp \vec{A}$ is a shorthand for
2034 $\mytyc{D} \myappsp \mytya_1 \cdots \mytya_n$, for some $n$.  $n$ is
2035 consistently used to refer to the length of such vectors, and $i$ to
2036 refer to an index in such vectors.  We also often need to `build up'
2037 terms vectors, in which case we use $\myemptyctx$ for an empty vector
2038 and add elements to an existing vector with $\myarg ; \myarg$, similarly
2039 to what we do for context.
2040
2041 To present the elaboration and operations on user defined data types, we
2042 frequently make use what de Bruijn called \emph{telescopes}
2043 \citep{Bruijn91}, a construct that will prove useful when dealing with
2044 the types of type and data constructors.  A telescope is a series of
2045 nested typed bindings, such as $(\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} {:}
2046 \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}})$.  Consistently with the notation for
2047 contexts and term vectors, we use $\myemptyctx$ to denote an empty
2048 telescope and $\myarg ; \myarg$ to add a new binding to an existing
2049 telescope.
2050
2051 We refer to telescopes with $\mytele$, $\mytele'$, $\mytele_i$, etc.  If
2052 $\mytele$ refers to a telescope, $\mytelee$ refers to the term vector
2053 made up of all the variables bound by $\mytele$.  $\mytele \myarr
2054 \mytya$ refers to the type made by turning the telescope into a series
2055 of $\myarr$.  Returning to the examples above, we have that
2056 {\small\[
2057    (\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} : \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}) \myarr \mynat =
2058    (\myb{x} {:} \mynat) \myarr (\myb{p} : \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}) \myarr \mynat
2059 \]}
2060
2061 We make use of various operations to manipulate telescopes:
2062 \begin{itemize}
2063 \item $\myhead(\mytele)$ refers to the first type appearing in
2064   $\mytele$: $\myhead((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
2065   \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}})) = \mynat$.  Similarly,
2066   $\myix_i(\mytele)$ refers to the $i^{th}$ type in a telescope
2067   (1-indexed).
2068 \item $\mytake_i(\mytele)$ refers to the telescope created by taking the
2069   first $i$ elements of $\mytele$:  $\mytake_1((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
2070   \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}})) = (\myb{x} {:} \mynat)$
2071 \item $\mytele \vec{A}$ refers to the telescope made by `applying' the
2072   terms in $\vec{A}$ on $\mytele$: $((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
2073   \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}))42 = (\myb{p} :
2074   \myapp{\myfun{even}}{42})$.
2075 \end{itemize}
2076
2077 \subsubsection{Declarations syntax}
2078
2079 \mydesc{syntax}{ }{
2080   $
2081   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2082       \mydeclsyn & ::= & \myval{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
2083                  &  |  & \mypost{\myb{x}}{\mytmsyn} \\
2084                  &  |  & \myadt{\mytyc{D}}{\mytelesyn}{}{\mydc{c} : \mytelesyn\ |\ \cdots } \\
2085                  &  |  & \myreco{\mytyc{D}}{\mytelesyn}{}{\myfun{f} : \mytmsyn,\ \cdots } \\
2086
2087       \mytelesyn & ::= & \myemptytele \mysynsep \mytelesyn \mycc (\myb{x} {:} \mytmsyn) \\
2088       \mynamesyn & ::= & \cdots \mysynsep \mytyc{D} \mysynsep \mytyc{D}.\mydc{c} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{f}
2089   \end{array}
2090   $
2091 }
2092
2093 In \mykant\ we have four kind of declarations:
2094
2095 \begin{description}
2096 \item[Defined value] A variable, together with a type and a body.
2097 \item[Abstract variable] An abstract variable, with a type but no body.
2098 \item[Inductive data] A datatype, with a type constructor and various data
2099   constructors---somewhat similar to what we find in Haskell.  A primitive
2100   recursor (or `destructor') will be generated automatically.
2101 \item[Record] A record, which consists of one data constructor and various
2102   fields, with no recursive occurrences.
2103 \end{description}
2104
2105 Elaborating defined variables consists of type checking body against the
2106 given type, and updating the context to contain the new binding.
2107 Elaborating abstract variables and abstract variables consists of type
2108 checking the type, and updating the context with a new typed variable:
2109
2110 \mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
2111     \begin{tabular}{cc}
2112       \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
2113       \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
2114       \BinaryInfC{
2115         $\myctx \myelabt \myval{\myfun{f}}{\mytya}{\mytmt} \ \ \myelabf\ \  \myctx; \myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya$
2116       }
2117       \DisplayProof
2118       &
2119       \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
2120       \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
2121       \BinaryInfC{
2122         $
2123           \myctx \myelabt \mypost{\myfun{f}}{\mytya}
2124           \ \ \myelabf\ \  \myctx; \myfun{f} : \mytya
2125         $
2126       }
2127       \DisplayProof
2128     \end{tabular}
2129 }
2130
2131 \subsubsection{User defined types}
2132 \label{sec:user-type}
2133
2134 Elaborating user defined types is the real effort.  First, let's explain
2135 what we can defined, with some examples.
2136
2137 \begin{description}
2138 \item[Natural numbers] To define natural numbers, we create a data type
2139   with two constructors: one with zero arguments ($\mydc{zero}$) and one
2140   with one recursive argument ($\mydc{suc}$):
2141   {\small\[
2142   \begin{array}{@{}l}
2143     \myadt{\mynat}{ }{ }{
2144       \mydc{zero} \mydcsep \mydc{suc} \myappsp \mynat
2145     }
2146   \end{array}
2147   \]}
2148   This is very similar to what we would write in Haskell:
2149   {\small\[\text{\texttt{data Nat = Zero | Suc Nat}}\]}
2150   Once the data type is defined, $\mykant$\ will generate syntactic
2151   constructs for the type and data constructors, so that we will have
2152   \begin{center}
2153     \small
2154     \begin{tabular}{ccc}
2155       \AxiomC{\phantom{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}}
2156       \UnaryInfC{$\myinf{\mynat}{\mytyp}$}
2157       \DisplayProof
2158     &
2159       \AxiomC{\phantom{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}}
2160       \UnaryInfC{$\myinf{\mytyc{\mynat}.\mydc{zero}}{\mynat}$}
2161       \DisplayProof
2162     &
2163       \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}
2164       \UnaryInfC{$\myinf{\mytyc{\mynat}.\mydc{suc} \myappsp \mytmt}{\mynat}$}
2165       \DisplayProof
2166     \end{tabular}
2167   \end{center}
2168   While in Haskell (or indeed in Agda or Coq) data constructors are
2169   treated the same way as functions, in $\mykant$\ they are syntax, so
2170   for example using $\mytyc{\mynat}.\mydc{suc}$ on its own will be a
2171   syntax error.  This is necessary so that we can easily infer the type
2172   of polymorphic data constructors, as we will see later.
2173
2174   Moreover, each data constructor is prefixed by the type constructor
2175   name, since we need to retrieve the type constructor of a data
2176   constructor when type checking.  This measure aids in the presentation
2177   of various features but it is not needed in the implementation, where
2178   we can have a dictionary to lookup the type constructor corresponding
2179   to each data constructor.  When using data constructors in examples I
2180   will omit the type constructor prefix for brevity.
2181
2182   Along with user defined constructors, $\mykant$\ automatically
2183   generates an \emph{eliminator}, or \emph{destructor}, to compute with
2184   natural numbers: If we have $\mytmt : \mynat$, we can destruct
2185   $\mytmt$ using the generated eliminator `$\mynat.\myfun{elim}$':
2186   \begin{prooftree}
2187     \small
2188     \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}
2189     \UnaryInfC{$
2190       \myinf{\mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{
2191         \begin{array}{@{}l}
2192           \myfora{\myb{P}}{\mynat \myarr \mytyp}{ \\ \myapp{\myb{P}}{\mydc{zero}} \myarr (\myfora{\myb{x}}{\mynat}{\myapp{\myb{P}}{\myb{x}} \myarr \myapp{\myb{P}}{(\myapp{\mydc{suc}}{\myb{x}})}}) \myarr \\ \myapp{\myb{P}}{\mytmt}}
2193           \end{array}
2194         }$}
2195   \end{prooftree}
2196   $\mynat.\myfun{elim}$ corresponds to the induction principle for
2197   natural numbers: if we have a predicate on numbers ($\myb{P}$), and we
2198   know that predicate holds for the base case
2199   ($\myapp{\myb{P}}{\mydc{zero}}$) and for each inductive step
2200   ($\myfora{\myb{x}}{\mynat}{\myapp{\myb{P}}{\myb{x}} \myarr
2201     \myapp{\myb{P}}{(\myapp{\mydc{suc}}{\myb{x}})}}$), then $\myb{P}$
2202   holds for any number.  As with the data constructors, we require the
2203   eliminator to be applied to the `destructed' element.
2204
2205   While the induction principle is usually seen as a mean to prove
2206   properties about numbers, in the intuitionistic setting it is also a
2207   mean to compute.  In this specific case we will $\mynat.\myfun{elim}$
2208   will return the base case if the provided number is $\mydc{zero}$, and
2209   recursively apply the inductive step if the number is a
2210   $\mydc{suc}$cessor:
2211   {\small\[
2212   \begin{array}{@{}l@{}l}
2213     \mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp \mydc{zero} & \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps} \myred \myse{pz} \\
2214     \mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp (\mydc{suc} \myappsp \mytmt) & \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps} \myred \myse{ps} \myappsp \mytmt \myappsp (\mynat.\myfun{elim} \myappsp \mytmt \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps})
2215   \end{array}
2216   \]}
2217   The Haskell equivalent would be
2218   {\small\[
2219     \begin{array}{@{}l}
2220       \text{\texttt{elim :: Nat -> a -> (Nat -> a -> a) -> a}}\\
2221       \text{\texttt{elim Zero    pz ps = pz}}\\
2222       \text{\texttt{elim (Suc n) pz ps = ps n (elim n pz ps)}}
2223     \end{array}
2224     \]}
2225   Which buys us the computational behaviour, but not the reasoning power.
2226   % TODO maybe more examples, e.g. Haskell eliminator and fibonacci
2227
2228 \item[Binary trees] Now for a polymorphic data type: binary trees, since
2229   lists are too similar to natural numbers to be interesting.
2230   {\small\[
2231   \begin{array}{@{}l}
2232     \myadt{\mytree}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp)}{ }{
2233       \mydc{leaf} \mydcsep \mydc{node} \myappsp (\myapp{\mytree}{\myb{A}}) \myappsp \myb{A} \myappsp (\myapp{\mytree}{\myb{A}})
2234     }
2235   \end{array}
2236   \]}
2237   Now the purpose of constructors as syntax can be explained: what would
2238   the type of $\mydc{leaf}$ be?  If we were to treat it as a `normal'
2239   term, we would have to specify the type parameter of the tree each
2240   time the constructor is applied:
2241   {\small\[
2242   \begin{array}{@{}l@{\ }l}
2243     \mydc{leaf} & : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myapp{\mytree}{\myb{A}}} \\
2244     \mydc{node} & : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myapp{\mytree}{\myb{A}} \myarr \myb{A} \myarr \myapp{\mytree}{\myb{A}} \myarr \myapp{\mytree}{\myb{A}}}
2245   \end{array}
2246   \]}
2247   The problem with this approach is that creating terms is incredibly
2248   verbose and dull, since we would need to specify the type parameters
2249   each time.  For example if we wished to create a $\mytree \myappsp
2250   \mynat$ with two nodes and three leaves, we would have to write
2251   {\small\[
2252   \mydc{node} \myappsp \mynat \myappsp (\mydc{node} \myappsp \mynat \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat) \myappsp (\myapp{\mydc{suc}}{\mydc{zero}}) \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat)) \myappsp \mydc{zero} \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat)
2253   \]}
2254   The redundancy of $\mynat$s is quite irritating.  Instead, if we treat
2255   constructors as syntactic elements, we can `extract' the type of the
2256   parameter from the type that the term gets checked against, much like
2257   we get the type of abstraction arguments:
2258   \begin{center}
2259     \small
2260     \begin{tabular}{cc}
2261       \AxiomC{$\mychk{\mytya}{\mytyp}$}
2262       \UnaryInfC{$\mychk{\mydc{leaf}}{\myapp{\mytree}{\mytya}}$}
2263       \DisplayProof
2264       &
2265       \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytree \myappsp \mytya}$}
2266       \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
2267       \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytree \myappsp \mytya}$}
2268       \TrinaryInfC{$\mychk{\mydc{node} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmt \myappsp \mytmn}{\mytree \myappsp \mytya}$}
2269       \DisplayProof
2270     \end{tabular}
2271   \end{center}
2272   Which enables us to write, much more concisely
2273   {\small\[
2274   \mydc{node} \myappsp (\mydc{node} \myappsp \mydc{leaf} \myappsp (\myapp{\mydc{suc}}{\mydc{zero}}) \myappsp \mydc{leaf}) \myappsp \mydc{zero} \myappsp \mydc{leaf} : \myapp{\mytree}{\mynat}
2275   \]}
2276   We gain an annotation, but we lose the myriad of types applied to the
2277   constructors.  Conversely, with the eliminator for $\mytree$, we can
2278   infer the type of the arguments given the type of the destructed:
2279   \begin{prooftree}
2280     \footnotesize
2281     \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\myapp{\mytree}{\mytya}}$}
2282     \UnaryInfC{$
2283       \myinf{\mytree.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{
2284         \begin{array}{@{}l}
2285           (\myb{P} {:} \myapp{\mytree}{\mytya} \myarr \mytyp) \myarr \\
2286           \myapp{\myb{P}}{\mydc{leaf}} \myarr \\
2287           ((\myb{l} {:} \myapp{\mytree}{\mytya}) (\myb{x} {:} \mytya) (\myb{r} {:} \myapp{\mytree}{\mytya}) \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{l}} \myarr
2288           \myapp{\myb{P}}{\myb{r}} \myarr \myb{P} \myappsp (\mydc{node} \myappsp \myb{l} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{r})) \myarr \\
2289           \myapp{\myb{P}}{\mytmt}
2290         \end{array}
2291       }
2292       $}
2293   \end{prooftree}
2294   As expected, the eliminator embodies structural induction on trees.
2295
2296 \item[Empty type] We have presented types that have at least one
2297   constructors, but nothing prevents us from defining types with
2298   \emph{no} constructors:
2299   {\small\[
2300   \myadt{\mytyc{Empty}}{ }{ }{ }
2301   \]}
2302   What shall the `induction principle' on $\mytyc{Empty}$ be?  Does it
2303   even make sense to talk about induction on $\mytyc{Empty}$?
2304   $\mykant$\ does not care, and generates an eliminator with no `cases',
2305   and thus corresponding to the $\myfun{absurd}$ that we know and love:
2306   \begin{prooftree}
2307     \small
2308     \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytyc{Empty}}$}
2309     \UnaryInfC{$\myinf{\myempty.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{(\myb{P} {:} \mytmt \myarr \mytyp) \myarr \myapp{\myb{P}}{\mytmt}}$}
2310   \end{prooftree}
2311
2312 \item[Ordered lists] Up to this point, the examples shown are nothing
2313   new to the \{Haskell, SML, OCaml, functional\} programmer.  However
2314   dependent types let us express much more than that.  A useful example
2315   is the type of ordered lists. There are many ways to define such a
2316   thing, we will define our type to store the bounds of the list, making
2317   sure that $\mydc{cons}$ing respects that.
2318
2319   First, using $\myunit$ and $\myempty$, we define a type expressing the
2320   ordering on natural numbers, $\myfun{le}$---`less or equal'.
2321   $\myfun{le}\myappsp \mytmm \myappsp \mytmn$ will be inhabited only if
2322   $\mytmm \le \mytmn$:
2323   {\small\[
2324     \begin{array}{@{}l}
2325       \myfun{le} : \mynat \myarr \mynat \myarr \mytyp \mapsto \\
2326         \myind{2} \myabs{\myb{n}}{\\
2327           \myind{2}\myind{2} \mynat.\myfun{elim} \\
2328             \myind{2}\myind{2}\myind{2} \myb{n} \\
2329             \myind{2}\myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\mynat \myarr \mytyp}) \\
2330             \myind{2}\myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\myunit}) \\
2331             \myind{2}\myind{2}\myind{2} (\myabs{\myb{n}\, \myb{f}\, \myb{m}}{
2332               \mynat.\myfun{elim} \myappsp \myb{m} \myappsp (\myabs{\myarg}{\mytyp}) \myappsp \myempty \myappsp (\myabs{\myb{m'}\, \myarg}{\myapp{\myb{f}}{\myb{m'}}})
2333                               })
2334                               }
2335     \end{array}
2336     \]} We return $\myunit$ if the scrutinised is $\mydc{zero}$ (every
2337   number in less or equal than zero), $\myempty$ if the first number is
2338   a $\mydc{suc}$cessor and the second a $\mydc{zero}$, and we recurse if
2339   they are both successors.  Since we want the list to have possibly
2340   `open' bounds, for example for empty lists, we create a type for
2341   `lifted' naturals with a bottom (less than everything) and top
2342   (greater than everything) elements, along with an associated comparison
2343   function:
2344   {\small\[
2345     \begin{array}{@{}l}
2346     \myadt{\mytyc{Lift}}{ }{ }{\mydc{bot} \mydcsep \mydc{lift} \myappsp \mynat \mydcsep \mydc{top}}\\
2347     \myfun{le'} : \mytyc{Lift} \myarr \mytyc{Lift} \myarr \mytyp \mapsto \cdots \\
2348     \end{array}
2349     \]} Finally, we can defined a type of ordered lists.  The type is
2350   parametrised over two values representing the lower and upper bounds
2351   of the elements, as opposed to the type parameters that we are used
2352   to.  Then, an empty list will have to have evidence that the bounds
2353   are ordered, and each time we add an element we require the list to
2354   have a matching lower bound:
2355   {\small\[
2356     \begin{array}{@{}l}
2357       \myadt{\mytyc{OList}}{\myappsp (\myb{low}\ \myb{upp} {:} \mytyc{Lift})}{\\ \myind{2}}{
2358           \mydc{nil} \myappsp (\myfun{le'} \myappsp \myb{low} \myappsp \myb{upp}) \mydcsep \mydc{cons} \myappsp (\myb{n} {:} \mynat) \myappsp \mytyc{OList} \myappsp (\myfun{lift} \myappsp \myb{n}) \myappsp (\myfun{le'} \myappsp \myb{low} \myappsp (\myfun{lift} \myappsp \myb{n})
2359         }
2360     \end{array}
2361     \]} If we want we can then employ this structure to write and prove
2362   correct various sorting algorithms\footnote{See this presentation by
2363     Conor McBride:
2364     \url{https://personal.cis.strath.ac.uk/conor.mcbride/Pivotal.pdf},
2365     and this blog post by the author:
2366     \url{http://mazzo.li/posts/AgdaSort.html}.}.
2367   
2368   % TODO
2369
2370 \item[Dependent products] Apart from $\mysyn{data}$, $\mykant$\ offers
2371   us another way to define types: $\mysyn{record}$.  A record is a
2372   datatype with one constructor and `projections' to extract specific
2373   fields of the said constructor.
2374
2375   For example, we can recover dependent products:
2376   {\small\[
2377   \begin{array}{@{}l}
2378     \myreco{\mytyc{Prod}}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp) \myappsp (\myb{B} {:} \myb{A} \myarr \mytyp)}{\\ \myind{2}}{\myfst : \myb{A}, \mysnd : \myapp{\myb{B}}{\myb{fst}}}
2379   \end{array}
2380   \]}
2381   Here $\myfst$ and $\mysnd$ are the projections, with their respective
2382   types.  Note that each field can refer to the preceding fields.  A
2383   constructor will be automatically generated, under the name of
2384   $\mytyc{Prod}.\mydc{constr}$.  Dually to data types, we will omit the
2385   type constructor prefix for record projections.
2386
2387   Following the bidirectionality of the system, we have that projections
2388   (the destructors of the record) infer the type, while the constructor
2389   gets checked:
2390   \begin{center}
2391     \small
2392     \begin{tabular}{cc}
2393       \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytya}$}
2394       \AxiomC{$\mychk{\mytmn}{\myapp{\mytyb}{\mytmm}}$}
2395       \BinaryInfC{$\mychk{\mytyc{Prod}.\mydc{constr} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn}{\mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp \mytyb}$}
2396       \noLine
2397       \UnaryInfC{\phantom{$\myinf{\myfun{snd} \myappsp \mytmt}{\mytyb \myappsp (\myfst \myappsp \mytmt)}$}}
2398       \DisplayProof
2399       &
2400       \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp \mytyb}$}
2401       \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{fst} \myappsp \mytmt}{\mytya}$}
2402       \noLine
2403       \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{snd} \myappsp \mytmt}{\mytyb \myappsp (\myfst \myappsp \mytmt)}$}
2404       \DisplayProof
2405     \end{tabular}
2406   \end{center}
2407   What we have is equivalent to ITT's dependent products.
2408 \end{description}
2409
2410 \begin{figure}[p]
2411   \begin{subfigure}[b]{\textwidth}
2412     \vspace{-1cm}
2413     \mydesc{syntax}{ }{
2414       \footnotesize
2415       $
2416       \begin{array}{l}
2417         \mynamesyn ::= \cdots \mysynsep \mytyc{D} \mysynsep \mytyc{D}.\mydc{c} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{f}
2418       \end{array}
2419       $
2420     }
2421
2422   \mydesc{syntax elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \mytmsyn ::= \cdots}{
2423     \footnotesize
2424       $
2425       \begin{array}{r@{\ }l}
2426          & \myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{\cdots\ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \\
2427         \myelabf &
2428         
2429         \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2430           \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myapp{\mytyc{D}}{\mytmsyn^{\mytele}} \mysynsep \cdots \mysynsep
2431           \mytyc{D}.\mydc{c}_n \myappsp \mytmsyn^{\mytele_n} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \mytmsyn \\
2432         \end{array}
2433       \end{array}
2434       $
2435   }
2436
2437   \mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
2438         \footnotesize
2439
2440       \AxiomC{$
2441         \begin{array}{c}
2442           \myinf{\mytele \myarr \mytyp}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
2443           \mytyc{D} \not\in \myctx \\
2444           \myinff{\myctx;\ \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp}{\mytele \mycc \mytele_i \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}}{\mytyp}\ \ \ (1 \leq i \leq n) \\
2445           \text{For each $(\myb{x} {:} \mytya)$ in each $\mytele_i$, if $\mytyc{D} \in \mytya$, then $\mytya = \myapp{\mytyc{D}}{\vec{\mytmt}}$.}
2446         \end{array}
2447           $}
2448       \UnaryInfC{$
2449         \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2450           \myctx & \myelabt & \myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots \ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \\
2451           & & \vspace{-0.2cm} \\
2452           & \myelabf & \myctx;\ \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp;\ \cdots;\ \mytyc{D}.\mydc{c}_n : \mytele \mycc \mytele_n \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}; \\
2453           &          &
2454           \begin{array}{@{}r@{\ }l l}
2455             \mytyc{D}.\myfun{elim} : & \mytele \myarr (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr & \textbf{target} \\
2456             & (\myb{P} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \myarr \mytyp) \myarr & \textbf{motive} \\
2457             & \left.
2458               \begin{array}{@{}l}
2459                 \myind{3} \vdots \\
2460                 (\mytele_n \mycc \myhyps(\myb{P}, \mytele_n) \myarr \myapp{\myb{P}}{(\myapp{\mytyc{D}.\mydc{c}_n}{\mytelee_n})}) \myarr
2461               \end{array} \right \}
2462             & \textbf{methods}  \\
2463             & \myapp{\myb{P}}{\myb{x}} &
2464           \end{array}
2465         \end{array}
2466         $}
2467       \DisplayProof \\ \vspace{0.2cm}\ \\
2468       $
2469         \begin{array}{@{}l l@{\ } l@{} r c l}
2470           \textbf{where} & \myhyps(\myb{P}, & \myemptytele &) & \mymetagoes & \myemptytele \\
2471           & \myhyps(\myb{P}, & (\myb{r} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\vec{\mytmt}}) \mycc \mytele &) & \mymetagoes & (\myb{r'} {:} \myapp{\myb{P}}{\myb{r}}) \mycc \myhyps(\myb{P}, \mytele) \\
2472           & \myhyps(\myb{P}, & (\myb{x} {:} \mytya) \mycc \mytele & ) & \mymetagoes & \myhyps(\myb{P}, \mytele)
2473         \end{array}
2474         $
2475
2476   }
2477
2478   \mydesc{reduction elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{  
2479         \footnotesize
2480         $\myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots \ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \ \ \myelabf$
2481       \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
2482       \AxiomC{$\mytyc{D}.\mydc{c}_i : \mytele;\mytele_i \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \in \myctx$}
2483       \BinaryInfC{$
2484           \myctx \vdash \myapp{\myapp{\myapp{\mytyc{D}.\myfun{elim}}{(\myapp{\mytyc{D}.\mydc{c}_i}{\vec{\myse{t}}})}}{\myse{P}}}{\vec{\myse{m}}} \myred \myapp{\myapp{\myse{m}_i}{\vec{\mytmt}}}{\myrecs(\myse{P}, \vec{m}, \mytele_i)}
2485         $}
2486       \DisplayProof \\ \vspace{0.2cm}\ \\
2487       $
2488         \begin{array}{@{}l l@{\ } l@{} r c l}
2489           \textbf{where} & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, & \myemptytele &) & \mymetagoes & \myemptytele \\
2490                          & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, & (\myb{r} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\vec{A}}); \mytele & ) & \mymetagoes &  (\mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \myb{r} \myappsp \myse{P} \myappsp \vec{m}); \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, \mytele) \\
2491                          & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, & (\myb{x} {:} \mytya); \mytele &) & \mymetagoes & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, \mytele)
2492         \end{array}
2493         $
2494   }
2495   \end{subfigure}
2496
2497   \begin{subfigure}[b]{\textwidth}
2498     \mydesc{syntax elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\mytmsyn ::= \cdots}}{
2499           \footnotesize
2500     $
2501     \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2502       \myctx & \myelabt & \myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \\
2503              & \myelabf &
2504
2505              \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2506                \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myapp{\mytyc{D}}{\mytmsyn^{\mytele}} \mysynsep \mytyc{D}.\mydc{constr} \myappsp \mytmsyn^{n} \mysynsep \cdots  \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{f}_n \myappsp \mytmsyn \\
2507              \end{array}
2508     \end{array}
2509     $
2510 }
2511
2512
2513 \mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
2514       \footnotesize
2515     \AxiomC{$
2516       \begin{array}{c}
2517         \myinf{\mytele \myarr \mytyp}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
2518         \mytyc{D} \not\in \myctx \\
2519         \myinff{\myctx; \mytele; (\myb{f}_j : \myse{F}_j)_{j=1}^{i - 1}}{F_i}{\mytyp} \myind{3} (1 \le i \le n)
2520       \end{array}
2521         $}
2522     \UnaryInfC{$
2523       \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2524         \myctx & \myelabt & \myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \\
2525         & & \vspace{-0.2cm} \\
2526         & \myelabf & \myctx;\ \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp;\ \cdots;\ \mytyc{D}.\myfun{f}_n : \mytele \myarr (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \mysub{\myse{F}_n}{\myb{f}_i}{\myapp{\myfun{f}_i}{\myb{x}}}_{i = 1}^{n-1}; \\
2527         & & \mytyc{D}.\mydc{constr} : \mytele \myarr \myse{F}_1 \myarr \cdots \myarr \myse{F}_n \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee};
2528       \end{array}
2529       $}
2530     \DisplayProof
2531 }
2532
2533   \mydesc{reduction elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{
2534         \footnotesize
2535           $\myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \ \ \myelabf$
2536           \AxiomC{$\mytyc{D} \in \myctx$}
2537           \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myapp{\mytyc{D}.\myfun{f}_i}{(\mytyc{D}.\mydc{constr} \myappsp \vec{t})} \myred t_i$}
2538           \DisplayProof
2539   }
2540
2541   \end{subfigure}
2542   \caption{Elaboration for data types and records.}
2543   \label{fig:elab}
2544 \end{figure}
2545
2546 Following the intuition given by the examples, the mechanised
2547 elaboration is presented in figure \ref{fig:elab}, which is essentially
2548 a modification of figure 9 of \citep{McBride2004}\footnote{However, our
2549   datatypes do not have indices, we do bidirectional typechecking by
2550   treating constructors/destructors as syntactic constructs, and we have
2551   records.}.
2552
2553 In data types declarations we allow recursive occurrences as long as
2554 they are \emph{strictly positive}, employing a syntactic check to make
2555 sure that this is the case.  See \cite{Dybjer1991} for a more formal
2556 treatment of inductive definitions in ITT.
2557
2558 For what concerns records, recursive occurrences are disallowed.  The
2559 reason for this choice is answered by the reason for the choice of
2560 having records at all: we need records to give the user types with
2561 $\eta$-laws for equality, as we saw in section % TODO add section
2562 and in the treatment of OTT in section \ref{sec:ott}.  If we tried to
2563 $\eta$-expand recursive data types, we would expand forever.
2564
2565 To implement bidirectional type checking for constructors and
2566 destructors, we store their types in full in the context, and then
2567 instantiate when due:
2568
2569 \mydesc{typing:}{ }{
2570     \AxiomC{$
2571       \begin{array}{c}
2572         \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx \hspace{1cm}
2573         \mytyc{D}.\mydc{c} : \mytele \mycc \mytele' \myarr
2574         \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \in \myctx \\
2575         \mytele'' = (\mytele;\mytele')\vec{A} \hspace{1cm}
2576         \mychkk{\myctx; \mytake_{i-1}(\mytele'')}{t_i}{\myix_i( \mytele'')}\ \ 
2577           (1 \le i \le \mytele'')
2578       \end{array}
2579       $}
2580     \UnaryInfC{$\mychk{\myapp{\mytyc{D}.\mydc{c}}{\vec{t}}}{\myapp{\mytyc{D}}{\vec{A}}}$}
2581     \DisplayProof
2582
2583     \myderivsp
2584
2585     \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
2586     \AxiomC{$\mytyc{D}.\myfun{f} : \mytele \mycc (\myb{x} {:}
2587       \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}$}
2588     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myapp{\mytyc{D}}{\vec{A}}}$}
2589     \TrinaryInfC{$\myinf{\myapp{\mytyc{D}.\myfun{f}}{\mytmt}}{(\mytele
2590         \mycc (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr
2591         \myse{F})(\vec{A};\mytmt)}$}
2592     \DisplayProof
2593   }
2594
2595 \subsubsection{Why user defined types?  Why eliminators?}
2596
2597 % TODO reference levitated theories, indexed containers
2598
2599 foobar
2600
2601 \subsection{Cumulative hierarchy and typical ambiguity}
2602 \label{sec:term-hierarchy}
2603
2604 A type hierarchy as presented in section \label{sec:itt} is a
2605 considerable burden on the user, on various levels.  Consider for
2606 example how we recovered disjunctions in section \ref{sec:disju}: we
2607 have a function that takes two $\mytyp_0$ and forms a new $\mytyp_0$.
2608 What if we wanted to form a disjunction containing two $\mytyp_0$, or
2609 $\mytyp_{42}$?  Our definition would fail us, since $\mytyp_0 :
2610 \mytyp_1$.
2611
2612 One way to solve this issue is a \emph{cumulative} hierarchy, where
2613 $\mytyp_{l_1} : \mytyp_{l_2}$ iff $l_1 < l_2$.  This way we retain
2614 consistency, while allowing for `large' definitions that work on small
2615 types too.  For example we might define our disjunction to be
2616 {\small\[
2617   \myarg\myfun{$\vee$}\myarg : \mytyp_{100} \myarr \mytyp_{100} \myarr \mytyp_{100}
2618 \]}
2619 And hope that $\mytyp_{100}$ will be large enough to fit all the types
2620 that we want to use with our disjunction.  However, there are two
2621 problems with this.  First, there is the obvious clumsyness of having to
2622 manually specify the size of types.  More importantly, if we want to use
2623 $\myfun{$\vee$}$ itself as an argument to other type-formers, we need to
2624 make sure that those allow for types at least as large as
2625 $\mytyp_{100}$.
2626
2627 A better option is to employ a mechanised version of what Russell called
2628 \emph{typical ambiguity}: we let the user live under the illusion that
2629 $\mytyp : \mytyp$, but check that the statements about types are
2630 consistent behind the hood.  $\mykant$\ implements this following the
2631 lines of \cite{Huet1988}.  See also \citep{Harper1991} for a published
2632 reference, although describing a more complex system allowing for both
2633 explicit and explicit hierarchy at the same time.
2634
2635 We define a partial ordering on the levels, with both weak ($\le$) and
2636 strong ($<$) constraints---the laws governing them being the same as the
2637 ones governing $<$ and $\le$ for the natural numbers.  Each occurrence
2638 of $\mytyp$ is decorated with a unique reference, and we keep a set of
2639 constraints and add new constraints as we type check, generating new
2640 references when needed.
2641
2642 For example, when type checking the type $\mytyp\, r_1$, where $r_1$
2643 denotes the unique reference assigned to that term, we will generate a
2644 new fresh reference $\mytyp\, r_2$, and add the constraint $r_1 < r_2$
2645 to the set.  When type checking $\myctx \vdash
2646 \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}$, if $\myctx \vdash \mytya : \mytyp\,
2647 r_1$ and $\myctx; \myb{x} : \mytyb \vdash \mytyb : \mytyp\,r_2$; we will
2648 generate new reference $r$ and add $r_1 \le r$ and $r_2 \le r$ to the
2649 set.
2650
2651 If at any point the constraint set becomes inconsistent, type checking
2652 fails.  Moreover, when comparing two $\mytyp$ terms we equate their
2653 respective references with two $\le$ constraints---the details are
2654 explained in section \ref{sec:hier-impl}.
2655
2656 Another more flexible but also more verbose alternative is the one
2657 chosen by Agda, where levels can be quantified so that the relationship
2658 between arguments and result in type formers can be explicitly
2659 expressed:
2660 {\small\[
2661 \myarg\myfun{$\vee$}\myarg : (l_1\, l_2 : \mytyc{Level}) \myarr \mytyp_{l_1} \myarr \mytyp_{l_2} \myarr \mytyp_{l_1 \mylub l_2}
2662 \]}
2663 Inference algorithms to automatically derive this kind of relationship
2664 are currently subject of research.  We chose less flexible but more
2665 concise way, since it is easier to implement and better understood.
2666
2667 \subsection{Observational equality, \mykant\ style}
2668
2669 There are two correlated differences between $\mykant$\ and the theory
2670 used to present OTT.  The first is that in $\mykant$ we have a type
2671 hierarchy, which lets us, for example, abstract over types.  The second
2672 is that we let the user define inductive types.
2673
2674 Reconciling propositions for OTT and a hierarchy had already been
2675 investigated by Conor McBride\footnote{See
2676   \url{http://www.e-pig.org/epilogue/index.html?p=1098.html}.}, and we
2677 follow his footsteps.  Most of the work, as an extension of elaboration,
2678 is to generate reduction rules and coercions.
2679
2680 \subsubsection{The \mykant\ prelude, and $\myprop$ositions}
2681
2682 Before defining $\myprop$, we define some basic types inside $\mykant$,
2683 as the target for the $\myprop$ decoder:
2684 \begin{framed}
2685 \small
2686 $
2687 \begin{array}{l}
2688   \myadt{\mytyc{Empty}}{}{ }{ } \\
2689   \myfun{absurd} : (\myb{A} {:} \mytyp) \myarr \mytyc{Empty} \myarr \myb{A} \mapsto \\
2690   \myind{2} \myabs{\myb{A\ \myb{bot}}}{\mytyc{Empty}.\myfun{elim} \myappsp \myb{bot} \myappsp (\myabs{\_}{\myb{A}})} \\
2691   \ \\
2692
2693   \myreco{\mytyc{Unit}}{}{}{ } \\ \ \\
2694
2695   \myreco{\mytyc{Prod}}{\myappsp (\myb{A}\ \myb{B} {:} \mytyp)}{ }{\myfun{fst} : \myb{A}, \myfun{snd} : \myb{B} }
2696 \end{array}
2697 $
2698 \end{framed}
2699 When using $\mytyc{Prod}$, we shall use $\myprod$ to define `nested'
2700 products, and $\myproj{n}$ to project elements from them, so that
2701 {\small
2702 \[
2703 \begin{array}{@{}l}
2704 \mytya \myprod \mytyb = \mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp (\mytyc{Prod} \myappsp \mytyb \myappsp \myunit) \\
2705 \mytya \myprod \mytyb \myprod \myse{C} = \mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp (\mytyc{Prod} \myappsp \mytyb \myappsp (\mytyc{Prod} \myappsp \mytyc \myappsp \myunit)) \\
2706 \myind{2} \vdots \\
2707 \myproj{1} : \mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp \mytyb \myarr \mytya \\
2708 \myproj{2} : \mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp (\mytyc{Prod} \myappsp \mytyb \myappsp \myse{C}) \myarr \mytyb \\
2709 \myind{2} \vdots
2710 \end{array}
2711 \]
2712 }
2713 And so on, so that $\myproj{n}$ will work with all products with at
2714 least than $n$ elements.  Then we can define propositions, and decoding:
2715
2716 \mydesc{syntax}{ }{
2717   $
2718   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2719     \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myprdec{\myprsyn} \\
2720     \myprsyn & ::= & \mybot \mysynsep \mytop \mysynsep \myprsyn \myand \myprsyn \mysynsep \myprfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\myprsyn}
2721   \end{array}
2722   $
2723 }
2724
2725 \mydesc{proposition decoding:}{\myprdec{\mytmsyn} \myred \mytmsyn}{
2726   \begin{tabular}{cc}
2727     $
2728     \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
2729       \myprdec{\mybot} & \myred & \myempty \\
2730       \myprdec{\mytop} & \myred & \myunit
2731     \end{array}
2732     $
2733     &
2734     $
2735     \begin{array}{r@{ }c@{ }l@{\ }c@{\ }l}
2736       \myprdec{&\myse{P} \myand \myse{Q} &} & \myred & \myprdec{\myse{P}} \myprod \myprdec{\myse{Q}} \\
2737       \myprdec{&\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}} &} & \myred &
2738       \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myprdec{\myse{P}}}
2739     \end{array}
2740     $
2741   \end{tabular}
2742 }
2743
2744 \subsubsection{Why $\myprop$?}
2745
2746 It is worth to ask if $\myprop$ is needed at all.  It is perfectly
2747 possible to have the type checker identify propositional types
2748 automatically, and in fact that is what The author initially planned to
2749 identify the propositional fragment internally \cite{Jacobs1994}.
2750
2751 % TODO finish
2752
2753 \subsubsection{OTT constructs}
2754
2755 Before presenting the direction that $\mykant$\ takes, let's consider
2756 some examples of use-defined data types, and the result we would expect,
2757 given what we already know about OTT, assuming the same propositional
2758 equalities.
2759
2760 \begin{description}
2761
2762 \item[Product types] Let's consider first the already mentioned
2763   dependent product, using the alternate name $\mysigma$\footnote{For
2764     extra confusion, `dependent products' are often called `dependent
2765     sums' in the literature, referring to the interpretation that
2766     identifies the first element as a `tag' deciding the type of the
2767     second element, which lets us recover sum types (disjuctions), as we
2768     saw in section \ref{sec:user-type}.  Thus, $\mysigma$.} to
2769   avoid confusion with the $\mytyc{Prod}$ in the prelude: {\small\[
2770   \begin{array}{@{}l}
2771     \myreco{\mysigma}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp) \myappsp (\myb{B} {:} \myb{A} \myarr \mytyp)}{\\ \myind{2}}{\myfst : \myb{A}, \mysnd : \myapp{\myb{B}}{\myb{fst}}}
2772   \end{array}
2773   \]} Let's start with type-level equality.  The result we want is
2774   {\small\[
2775     \begin{array}{@{}l}
2776       \mysigma \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myeq \mysigma \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myred \\
2777       \myind{2} \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2}} \myimpl \myapp{\mytyb_1}{\myb{x_1}} \myeq \myapp{\mytyb_2}{\myb{x_2}}}
2778     \end{array}
2779     \]} The difference here is that in the original presentation of OTT
2780   the type binders are explicit, while here $\mytyb_1$ and $\mytyb_2$
2781   functions returning types.  We can do this thanks to the type
2782   hierarchy, and this hints at the fact that heterogeneous equality will
2783   have to allow $\mytyp$ `to the right of the colon', and in fact this
2784   provides the solution to simplify the equality above.
2785
2786   If we take, just like we saw previously in OTT
2787   {\small\[
2788     \begin{array}{@{}l}
2789       \myjm{\myse{f}_1}{\myfora{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}}{\myse{f}_2}{\myfora{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}} \myred \\
2790       \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
2791            \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
2792            \myjm{\myapp{\myse{f}_1}{\myb{x_1}}}{\mytyb_1[\myb{x_1}]}{\myapp{\myse{f}_2}{\myb{x_2}}}{\mytyb_2[\myb{x_2}]}
2793          }}
2794     \end{array}
2795     \]} Then we can simply take
2796   {\small\[
2797     \begin{array}{@{}l}
2798       \mysigma \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myeq \mysigma \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myred \\ \myind{2} \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand \myjm{\mytyb_1}{\mytya_1 \myarr \mytyp}{\mytyb_2}{\mytya_2 \myarr \mytyp}
2799     \end{array}
2800     \]} Which will reduce to precisely what we desire.  For what
2801   concerns coercions and quotation, things stay the same (apart from the
2802   fact that we apply to the second argument instead of substituting).
2803   We can recognise records such as $\mysigma$ as such and employ
2804   projections in value equality, coercions, and quotation; as to not
2805   impede progress if not necessary.
2806
2807 \item[Lists] Now for finite lists, which will give us a taste for data
2808   constructors:
2809   {\small\[
2810   \begin{array}{@{}l}
2811     \myadt{\mylist}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp)}{ }{\mydc{nil} \mydcsep \mydc{cons} \myappsp \myb{A} \myappsp (\myapp{\mylist}{\myb{A}})}
2812   \end{array}
2813   \]}
2814   Type equality is simple---we only need to compare the parameter:
2815   {\small\[
2816     \mylist \myappsp \mytya_1 \myeq \mylist \myappsp \mytya_2 \myred \mytya_1 \myeq \mytya_2
2817     \]} For coercions, we transport based on the constructor, recycling
2818   the proof for the inductive occurrence: {\small\[
2819     \begin{array}{@{}l@{\ }c@{\ }l}
2820       \mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp \mydc{nil} & \myred & \mydc{nil} \\
2821       \mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp (\mydc{cons} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn) & \myred & \\
2822       \multicolumn{3}{l}{\myind{2} \mydc{cons} \myappsp (\mycoe \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytya_2 \myappsp \myse{Q} \myappsp \mytmm) \myappsp (\mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp \mytmn)}
2823     \end{array}
2824     \]} Value equality is unsurprising---we match the constructors, and
2825   return bottom for mismatches.  However, we also need to equate the
2826   parameter in $\mydc{nil}$: {\small\[
2827     \begin{array}{r@{ }c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }c@{\ }r@{}c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }l}
2828       (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mytya_1 \myeq \mytya_2 \\
2829       (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_1 \myappsp \mytmn_1 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_2 \myappsp \mytmn_2 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \\
2830       & \multicolumn{11}{@{}l}{ \myind{2}
2831         \myjm{\mytmm_1}{\mytya_1}{\mytmm_2}{\mytya_2} \myand \myjm{\mytmn_1}{\myapp{\mylist}{\mytya_1}}{\mytmn_2}{\myapp{\mylist}{\mytya_2}}
2832         } \\
2833       (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_2 \myappsp \mytmn_2 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mybot \\
2834       (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_1 \myappsp \mytmn_1 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mybot
2835     \end{array}
2836     \]}
2837   Finally, quotation
2838   % TODO quotation
2839
2840   
2841   
2842
2843 \end{description}
2844   
2845
2846 \mydesc{syntax}{ }{
2847   $
2848   \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
2849     \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mycoee{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
2850                      \mycohh{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
2851     \myprsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myjm{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
2852   \end{array}
2853   $
2854 }
2855
2856 \begin{figure}[p]
2857 \mydesc{typing:}{\myctx \vdash \myprsyn \myred \myprsyn}{
2858   \footnotesize
2859   \begin{tabular}{cc}
2860     \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
2861     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
2862     \BinaryInfC{$\myjud{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}$}
2863     \DisplayProof
2864     &
2865     \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
2866     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
2867     \BinaryInfC{$\myjud{\mycohh{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\mytmt}{\mytya}{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}}}$}
2868     \DisplayProof
2869   \end{tabular}
2870 }
2871 \mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
2872   \footnotesize
2873     \begin{tabular}{cc}
2874       \AxiomC{\phantom{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}}
2875       \UnaryInfC{$\myjud{\mytop}{\myprop}$}
2876       \noLine
2877       \UnaryInfC{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}
2878       \DisplayProof
2879       &
2880       \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
2881       \AxiomC{$\myjud{\myse{Q}}{\myprop}$}
2882       \BinaryInfC{$\myjud{\myse{P} \myand \myse{Q}}{\myprop}$}
2883       \noLine
2884       \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
2885       \DisplayProof
2886     \end{tabular}
2887
2888     \myderivsp
2889
2890     \begin{tabular}{cc}
2891       \AxiomC{$
2892         \begin{array}{@{}c}
2893           \phantom{\myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}}} \\
2894           \myjud{\myse{A}}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
2895           \myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\myse{P}}{\myprop}
2896         \end{array}
2897         $}
2898       \UnaryInfC{$\myjud{\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}}{\myprop}$}
2899       \DisplayProof
2900       &
2901       \AxiomC{$
2902         \begin{array}{c}
2903           \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}} \\
2904           \myjud{\myse{B}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmn}{\myse{B}}
2905         \end{array}
2906         $}
2907       \UnaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\myse{A}}{\mytmn}{\myse{B}}}{\myprop}$}
2908       \DisplayProof
2909     \end{tabular}
2910 }
2911   % TODO equality for decodings
2912 \mydesc{equality reduction:}{\myctx \vdash \myprsyn \myred \myprsyn}{
2913   \footnotesize
2914     \AxiomC{}
2915     \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myjm{\mytyp}{\mytyp}{\mytyp}{\mytyp} \myred \mytop$}
2916     \DisplayProof
2917
2918   \myderivsp
2919
2920   \AxiomC{}
2921   \UnaryInfC{$
2922     \begin{array}{@{}r@{\ }l}
2923     \myctx \vdash &
2924     \myjm{\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}}{\mytyp}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}}{\mytyp}  \myred \\
2925     & \myind{2} \mytya_2 \myeq \mytya_1 \myand \myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{
2926         \myjm{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myb{x_1}}{\mytya_1} \myimpl \mytyb_1 \myeq \mytyb_2
2927       }}
2928     \end{array}
2929     $}
2930   \DisplayProof
2931
2932   \myderivsp
2933
2934   \AxiomC{}
2935   \UnaryInfC{$
2936     \begin{array}{@{}r@{\ }l}
2937       \myctx \vdash &
2938       \myjm{\myse{f}_1}{\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}}{\myse{f}_2}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}}  \myred \\
2939       & \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
2940           \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
2941           \myjm{\myapp{\myse{f}_1}{\myb{x_1}}}{\mytyb_1[\myb{x_1}]}{\myapp{\myse{f}_2}{\myb{x_2}}}{\mytyb_2[\myb{x_2}]}
2942         }}
2943     \end{array}
2944     $}
2945   \DisplayProof
2946   
2947
2948   \myderivsp
2949
2950   \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
2951   \UnaryInfC{$
2952     \begin{array}{r@{\ }l}
2953       \myctx \vdash &
2954       \myjm{\mytyc{D} \myappsp \vec{A}}{\mytyp}{\mytyc{D} \myappsp \vec{B}}{\mytyp}  \myred \\
2955       & \myind{2} \mybigand_{i = 1}^n (\myjm{\mytya_n}{\myhead(\mytele(A_1 \cdots A_{i-1}))}{\mytyb_i}{\myhead(\mytele(B_1 \cdots B_{i-1}))})
2956     \end{array}
2957     $}
2958   \DisplayProof
2959
2960   \myderivsp
2961
2962   \AxiomC{$
2963     \begin{array}{@{}c}
2964       \mydataty(\mytyc{D}, \myctx)\hspace{0.8cm}
2965       \mytyc{D}.\mydc{c} : \mytele;\mytele' \myarr \mytyc{D} \myappsp \mytelee \in \myctx \\
2966       \mytele_A = (\mytele;\mytele')\vec{A}\hspace{0.8cm}
2967       \mytele_B = (\mytele;\mytele')\vec{B}
2968     \end{array}
2969     $}
2970   \UnaryInfC{$
2971     \begin{array}{@{}l@{\ }l}
2972       \myctx \vdash & \myjm{\mytyc{D}.\mydc{c} \myappsp \vec{\myse{l}}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{A}}{\mytyc{D}.\mydc{c} \myappsp \vec{\myse{r}}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{B}} \myred \\
2973       & \myind{2} \mybigand_{i=1}^n(\myjm{\mytmm_i}{\myhead(\mytele_A (\mytya_i \cdots \mytya_{i-1}))}{\mytmn_i}{\myhead(\mytele_B (\mytyb_i \cdots \mytyb_{i-1}))})
2974     \end{array}
2975     $}
2976   \DisplayProof
2977
2978   \myderivsp
2979
2980   \AxiomC{$\mydataty(\mytyc{D}, \myctx)$}
2981   \UnaryInfC{$
2982       \myctx \vdash \myjm{\mytyc{D}.\mydc{c} \myappsp \vec{\myse{l}}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{A}}{\mytyc{D}.\mydc{c'} \myappsp \vec{\myse{r}}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{B}} \myred \mybot
2983     $}
2984   \DisplayProof
2985
2986   \myderivsp
2987
2988   \AxiomC{$
2989     \begin{array}{@{}c}
2990       \myisreco(\mytyc{D}, \myctx)\hspace{0.8cm}
2991       \mytyc{D}.\myfun{f}_i : \mytele; (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}_i  \in \myctx\\
2992     \end{array}
2993     $}
2994   \UnaryInfC{$
2995     \begin{array}{@{}l@{\ }l}
2996       \myctx \vdash & \myjm{\myse{l}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{A}}{\myse{r}}{\mytyc{D} \myappsp \vec{B}} \myred \\ & \myind{2} \mybigand_{i=1}^n(\myjm{\mytyc{D}.\myfun{f}_1 \myappsp \myse{l}}{(\mytele; (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}_i)(\vec{\mytya};\myse{l})}{\mytyc{D}.\myfun{f}_i \myappsp \myse{r}}{(\mytele; (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}_i)(\vec{\mytyb};\myse{r})})
2997     \end{array}
2998     $}
2999   \DisplayProof
3000   
3001   \myderivsp
3002   \AxiomC{}
3003   \UnaryInfC{$\myjm{\mytmm}{\mytya}{\mytmn}{\mytyb}  \myred \mybot\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical types.}$}
3004   \DisplayProof
3005 }
3006   \caption{Equality reduction for $\mykant$.}
3007   \label{fig:kant-eq-red}
3008 \end{figure}
3009
3010 \subsubsection{$\myprop$ and the hierarchy}
3011
3012 Where is $\myprop$ placed in the $\mytyp$ hierarchy?  At each universe
3013 level, we will have that 
3014
3015 \subsubsection{Quotation and irrelevance}
3016 \ref{sec:kant-irr}
3017
3018 foo
3019
3020 \section{\mykant : The practice}
3021 \label{sec:kant-practice}
3022
3023 The codebase consists of around 2500 lines of Haskell, as reported by
3024 the \texttt{cloc} utility.  The high level design is inspired by Conor
3025 McBride's work on various incarnations of Epigram, and specifically by
3026 the first version as described \citep{McBride2004} and the codebase for
3027 the new version \footnote{Available intermittently as a \texttt{darcs}
3028   repository at \url{http://sneezy.cs.nott.ac.uk/darcs/Pig09}.}.  In
3029 many ways \mykant\ is something in between the first and second version
3030 of Epigram.
3031
3032 The interaction happens in a read-eval-print loop (REPL).  The REPL is a
3033 available both as a commandline application and in a web interface,
3034 which is available at \url{kant.mazzo.li} and presents itself as in
3035 figure \ref{fig:kant-web}.
3036
3037 \begin{figure}
3038   \centering{
3039     \includegraphics[scale=1.0]{kant-web.png}
3040   }
3041   \caption{The \mykant\ web prompt.}
3042   \label{fig:kant-web}
3043 \end{figure}
3044
3045 The interaction with the user takes place in a loop living in and updating a
3046 context \mykant\ declarations.  The user inputs a new declaration that goes
3047 through various stages starts with the user inputing a \mykant\ declaration or
3048 another REPL command, which then goes through various stages that can end up
3049 in a context update, or in failures of various kind.  The process is described
3050 diagrammatically in figure \ref{fig:kant-process}:
3051
3052 \begin{description}
3053 \item[Parse] In this phase the text input gets converted to a sugared
3054   version of the core language.
3055
3056 \item[Desugar] The sugared declaration is converted to a core term.
3057
3058 \item[Reference] Occurrences of $\mytyp$ get decorated by a unique reference,
3059   which is necessary to implement the type hierarchy check.
3060
3061 \item[Elaborate] Convert the declaration to some context item, which might be
3062   a value declaration (type and body) or a data type declaration (constructors
3063   and destructors).  This phase works in tandem with \textbf{Typechecking},
3064   which in turns needs to \textbf{Evaluate} terms.
3065
3066 \item[Distill] and report the result.  `Distilling' refers to the process of
3067   converting a core term back to a sugared version that the user can
3068   visualise.  This can be necessary both to display errors including terms or
3069   to display result of evaluations or type checking that the user has
3070   requested.
3071
3072 \item[Pretty print] Format the terms in a nice way, and display the result to
3073   the user.
3074
3075 \end{description}
3076
3077 \begin{figure}
3078   \centering{\small
3079     \tikzstyle{block} = [rectangle, draw, text width=5em, text centered, rounded
3080     corners, minimum height=2.5em, node distance=0.7cm]
3081       
3082       \tikzstyle{decision} = [diamond, draw, text width=4.5em, text badly
3083       centered, inner sep=0pt, node distance=0.7cm]
3084       
3085       \tikzstyle{line} = [draw, -latex']
3086       
3087       \tikzstyle{cloud} = [draw, ellipse, minimum height=2em, text width=5em, text
3088       centered, node distance=1.5cm]
3089       
3090       
3091       \begin{tikzpicture}[auto]
3092         \node [cloud] (user) {User};
3093         \node [block, below left=1cm and 0.1cm of user] (parse) {Parse};
3094         \node [block, below=of parse] (desugar) {Desugar};
3095         \node [block, below=of desugar] (reference) {Reference};
3096         \node [block, below=of reference] (elaborate) {Elaborate};
3097         \node [block, left=of elaborate] (tycheck) {Typecheck};
3098         \node [block, left=of tycheck] (evaluate) {Evaluate};
3099         \node [decision, right=of elaborate] (error) {Error?};
3100         \node [block, right=of parse] (distill) {Distill};
3101         \node [block, right=of desugar] (update) {Update context};
3102         
3103         \path [line] (user) -- (parse);
3104         \path [line] (parse) -- (desugar);
3105         \path [line] (desugar) -- (reference);
3106         \path [line] (reference) -- (elaborate);
3107         \path [line] (elaborate) edge[bend right] (tycheck);
3108         \path [line] (tycheck) edge[bend right] (elaborate);
3109         \path [line] (elaborate) -- (error);
3110         \path [line] (error) edge[out=0,in=0] node [near start] {yes} (distill);
3111         \path [line] (error) -- node [near start] {no} (update);
3112         \path [line] (update) -- (distill);
3113         \path [line] (distill) -- (user);
3114         \path [line] (tycheck) edge[bend right] (evaluate);
3115         \path [line] (evaluate) edge[bend right] (tycheck);
3116       \end{tikzpicture}
3117   }
3118   \caption{High level overview of the life of a \mykant\ prompt cycle.}
3119   \label{fig:kant-process}
3120 \end{figure}
3121
3122 \subsection{Parsing and \texttt{Sugar}}
3123
3124 \subsection{Term representation and context}
3125 \label{sec:term-repr}
3126
3127 \subsection{Type checking}
3128
3129 \subsection{Type hierarchy}
3130 \label{sec:hier-impl}
3131
3132 \subsection{Elaboration}
3133
3134 \section{Evaluation}
3135
3136 \section{Future work}
3137
3138 \subsection{Coinduction}
3139
3140 \subsection{Quotient types}
3141
3142 \subsection{Partiality}
3143
3144 \subsection{Pattern matching}
3145
3146 \subsection{Pattern unification}
3147
3148 % TODO coinduction (obscoin, gimenez), pattern unification (miller,
3149 % gundry), partiality monad (NAD)
3150
3151 \appendix
3152
3153 \section{Notation and syntax}
3154
3155 Syntax, derivation rules, and reduction rules, are enclosed in frames describing
3156 the type of relation being established and the syntactic elements appearing,
3157 for example
3158
3159 \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
3160   Typing derivations here.
3161 }
3162
3163 In the languages presented and Agda code samples I also highlight the syntax,
3164 following a uniform color and font convention:
3165
3166 \begin{center}
3167   \begin{tabular}{c | l}
3168     $\mytyc{Sans}$   & Type constructors. \\
3169     $\mydc{sans}$    & Data constructors. \\
3170     % $\myfld{sans}$  & Field accessors (e.g. \myfld{fst} and \myfld{snd} for products). \\
3171     $\mysyn{roman}$  & Keywords of the language. \\
3172     $\myfun{roman}$  & Defined values and destructors. \\
3173     $\myb{math}$     & Bound variables.
3174   \end{tabular}
3175 \end{center}
3176
3177 Moreover, I will from time to time give examples in the Haskell programming
3178 language as defined in \citep{Haskell2010}, which I will typeset in
3179 \texttt{teletype} font.  I assume that the reader is already familiar with
3180 Haskell, plenty of good introductions are available \citep{LYAH,ProgInHask}.
3181
3182 When presenting grammars, I will use a word in $\mysynel{math}$ font
3183 (e.g. $\mytmsyn$ or $\mytysyn$) to indicate indicate nonterminals. Additionally,
3184 I will use quite flexibly a $\mysynel{math}$ font to indicate a syntactic
3185 element.  More specifically, terms are usually indicated by lowercase letters
3186 (often $\mytmt$, $\mytmm$, or $\mytmn$); and types by an uppercase letter (often
3187 $\mytya$, $\mytyb$, or $\mytycc$).
3188
3189 When presenting type derivations, I will often abbreviate and present multiple
3190 conclusions, each on a separate line:
3191 \begin{prooftree}
3192   \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
3193   \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}$}
3194   \noLine
3195   \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mytyb}$}
3196 \end{prooftree}
3197
3198 I will often present `definition' in the described calculi and in
3199 $\mykant$\ itself, like so:
3200 {\small\[
3201 \begin{array}{@{}l}
3202   \myfun{name} : \mytysyn \\
3203   \myfun{name} \myappsp \myb{arg_1} \myappsp \myb{arg_2} \myappsp \cdots \mapsto \mytmsyn
3204 \end{array}
3205 \]}
3206 To define operators, I use a mixfix notation similar
3207 to Agda, where $\myarg$s denote arguments, for example
3208 {\small\[
3209 \begin{array}{@{}l}
3210   \myarg \mathrel{\myfun{$\wedge$}} \myarg : \mybool \myarr \mybool \myarr \mybool \\
3211   \myb{b_1} \mathrel{\myfun{$\wedge$}} \myb{b_2} \mapsto \cdots
3212 \end{array}
3213 \]}
3214
3215 \section{Code}
3216
3217 \subsection{ITT renditions}
3218 \label{app:itt-code}
3219
3220 \subsubsection{Agda}
3221 \label{app:agda-itt}
3222
3223 Note that in what follows rules for `base' types are
3224 universe-polymorphic, to reflect the exposition.  Derived definitions,
3225 on the other hand, mostly work with \mytyc{Set}, reflecting the fact
3226 that in the theory presented we don't have universe polymorphism.
3227
3228 \begin{code}
3229 module ITT where
3230   open import Level
3231
3232   data Empty : Set where
3233
3234   absurd : ∀ {a} {A : Set a} → Empty → A
3235   absurd ()
3236
3237   ¬_ : ∀ {a} → (A : Set a) → Set a
3238   ¬ A = A → Empty
3239
3240   record Unit : Set where
3241     constructor tt
3242
3243   record _×_ {a b} (A : Set a) (B : A → Set b) : Set (a ⊔ b) where
3244     constructor _,_
3245     field
3246       fst  : A
3247       snd  : B fst
3248   open _×_ public
3249
3250   data Bool : Set where
3251     true false : Bool
3252
3253   if_/_then_else_ : ∀ {a} (x : Bool) (P : Bool → Set a) → P true → P false → P x
3254   if true / _ then x else _ = x
3255   if false / _ then _ else x = x
3256
3257   if_then_else_ : ∀ {a} (x : Bool) {P : Bool → Set a} → P true → P false → P x
3258   if_then_else_ x {P} = if_/_then_else_ x P
3259
3260   data W {s p} (S : Set s) (P : S → Set p) : Set (s ⊔ p) where
3261     _◁_ : (s : S) → (P s → W S P) → W S P
3262
3263   rec : ∀ {a b} {S : Set a} {P : S → Set b}
3264     (C : W S P → Set) →       -- some conclusion we hope holds
3265     ((s : S) →                -- given a shape...
3266      (f : P s → W S P) →      -- ...and a bunch of kids...
3267      ((p : P s) → C (f p)) →  -- ...and C for each kid in the bunch...
3268      C (s ◁ f)) →             -- ...does C hold for the node?
3269     (x : W S P) →             -- If so, ...
3270     C x                       -- ...C always holds.
3271   rec C c (s ◁ f) = c s f (λ p → rec C c (f p))
3272
3273 module Examples-→ where
3274   open ITT
3275
3276   data ℕ : Set where
3277     zero : ℕ
3278     suc : ℕ → ℕ
3279
3280   -- These pragmas are needed so we can use number literals.
3281   {-# BUILTIN NATURAL ℕ #-}
3282   {-# BUILTIN ZERO zero #-}
3283   {-# BUILTIN SUC suc #-}
3284
3285   data List (A : Set) : Set where
3286     [] : List A
3287     _∷_ : A → List A → List A
3288
3289   length : ∀ {A} → List A → ℕ
3290   length [] = zero
3291   length (_ ∷ l) = suc (length l)
3292
3293   _>_ : ℕ → ℕ → Set
3294   zero > _ = Empty
3295   suc _ > zero = Unit
3296   suc x > suc y = x > y
3297
3298   head : ∀ {A} → (l : List A) → length l > 0 → A
3299   head [] p = absurd p
3300   head (x ∷ _) _ = x
3301
3302 module Examples-× where
3303   open ITT
3304   open Examples-→
3305
3306   even : ℕ → Set
3307   even zero = Unit
3308   even (suc zero) = Empty
3309   even (suc (suc n)) = even n
3310
3311   6-even : even 6
3312   6-even = tt
3313
3314   5-not-even : ¬ (even 5)
3315   5-not-even = absurd
3316   
3317   there-is-an-even-number : ℕ × even
3318   there-is-an-even-number = 6 , 6-even
3319
3320   _∨_ : (A B : Set) → Set
3321   A ∨ B = Bool × (λ b → if b then A else B)
3322
3323   left : ∀ {A B} → A → A ∨ B
3324   left x = true , x
3325
3326   right : ∀ {A B} → B → A ∨ B
3327   right x = false , x
3328
3329   [_,_] : {A B C : Set} → (A → C) → (B → C) → A ∨ B → C
3330   [ f , g ] x =
3331     (if (fst x) / (λ b → if b then _ else _ → _) then f else g) (snd x)
3332
3333 module Examples-W where
3334   open ITT
3335   open Examples-×
3336
3337   Tr : Bool → Set
3338   Tr b = if b then Unit else Empty
3339
3340   ℕ : Set
3341   ℕ = W Bool Tr
3342
3343   zero : ℕ
3344   zero = false ◁ absurd
3345
3346   suc : ℕ → ℕ
3347   suc n = true ◁ (λ _ → n)
3348
3349   plus : ℕ → ℕ → ℕ
3350   plus x y = rec
3351     (λ _ → ℕ)
3352     (λ b →
3353       if b / (λ b → (Tr b → ℕ) → (Tr b → ℕ) → ℕ)
3354       then (λ _ f → (suc (f tt))) else (λ _ _ → y))
3355     x
3356
3357   List : (A : Set) → Set
3358   List A = W (A ∨ Unit) (λ s → Tr (fst s))
3359
3360   [] : ∀ {A} → List A
3361   [] = (false , tt) ◁ absurd
3362
3363   _∷_ : ∀ {A} → A → List A → List A
3364   x ∷ l = (true , x) ◁ (λ _ → l)
3365
3366   _++_ : ∀ {A} → List A → List A → List A
3367   l₁ ++ l₂ = rec
3368     (λ _ → List _ → List _)
3369     (λ s f c l → {!!})
3370     l₁ l₂
3371
3372 module Equality where
3373   open ITT
3374   
3375   data _≡_ {a} {A : Set a} : A → A → Set a where
3376     refl : ∀ x → x ≡ x
3377
3378   ≡-elim : ∀ {a b} {A : Set a}
3379     (P : (x y : A) → x ≡ y → Set b) →
3380     ∀ {x y} → P x x (refl x) → (x≡y : x ≡ y) → P x y x≡y
3381   ≡-elim P p (refl x) = p
3382
3383   subst : ∀ {A : Set} (P : A → Set) → ∀ {x y} → (x≡y : x ≡ y) → P x → P y
3384   subst P x≡y p = ≡-elim (λ _ y _ → P y) p x≡y
3385
3386   sym : ∀ {A : Set} (x y : A) → x ≡ y → y ≡ x
3387   sym x y p = subst (λ y′ → y′ ≡ x) p (refl x)
3388
3389   trans : ∀ {A : Set} (x y z : A) → x ≡ y → y ≡ z → x ≡ z
3390   trans x y z p q = subst (λ z′ → x ≡ z′) q p
3391
3392   cong : ∀ {A B : Set} (x y : A) → x ≡ y → (f : A → B) → f x ≡ f y 
3393   cong x y p f = subst (λ z → f x ≡ f z) p (refl (f x))
3394 \end{code}
3395
3396 \subsubsection{\mykant}
3397
3398 The following things are missing: $\mytyc{W}$-types, since our
3399 positivity check is overly strict, and equality, since we haven't
3400 implemented that yet.
3401
3402 {\small
3403 \verbatiminput{itt.ka}
3404 }
3405
3406 \subsection{\mykant\ examples}
3407
3408 {\small
3409 \verbatiminput{examples.ka}
3410 }
3411
3412 \subsection{\mykant's hierachy}
3413
3414 This rendition of the Hurken's paradox does not type check with the
3415 hierachy enabled, type checks and loops without it.  Adapted from an
3416 Agda version, available at
3417 \url{http://code.haskell.org/Agda/test/succeed/Hurkens.agda}.
3418
3419 {\small
3420 \verbatiminput{hurkens.ka}
3421 }
3422
3423 \bibliographystyle{authordate1}
3424 \bibliography{thesis}
3425
3426 \end{document}