...
[bitonic-mengthesis.git] / final.lagda
diff --git a/final.lagda b/final.lagda
new file mode 100644 (file)
index 0000000..8928ec7
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,5764 @@
+%% I M P O R T A N T
+%% THIS LATEX HURTS YOUR EYES.  DO NOT READ.
+
+
+\documentclass[11pt, fleqn, twoside, a4paper]{article}
+\usepackage{etex}
+
+\usepackage[usenames,dvipsnames]{xcolor}
+
+\usepackage[sc,slantedGreek]{mathpazo}
+% \linespread{1.05}
+% \usepackage{times}
+
+% \oddsidemargin .50in
+% \evensidemargin -.25in
+% % \oddsidemargin 0in
+% % \evensidemargin 0in
+% \textheight 9.5in 
+% \textwidth   6.2in
+% \topmargin   -9mm  
+% %% \parindent        10pt
+
+% \headheight 0pt
+% \headsep 0pt
+
+\usepackage[hmargin=2cm,vmargin=2.5cm,a4paper]{geometry}
+\geometry{textwidth=390pt}
+\geometry{bindingoffset=1.5cm}
+
+\raggedbottom
+
+\usepackage{amsthm}
+
+%% Bibtex
+\usepackage{natbib}
+
+%% Links
+\usepackage[pdftex, pdfborderstyle={/S/U/W 0}]{hyperref}
+
+%% Frames
+\usepackage{framed}
+
+%% Symbols
+\usepackage[fleqn]{amsmath}
+\usepackage{stmaryrd}           %llbracket
+
+%% Proof trees
+\usepackage{bussproofs}
+
+%% Diagrams
+\usepackage[all]{xy}
+
+%% Quotations
+\usepackage{epigraph}
+
+%% Images
+\usepackage{graphicx}
+
+%% Subfigure
+\usepackage{subcaption}
+
+\usepackage{verbatim}
+\usepackage{fancyvrb}
+
+\usepackage[nottoc]{tocbibind}
+
+\RecustomVerbatimEnvironment
+  {Verbatim}{Verbatim}
+  {xleftmargin=9mm}
+
+%% diagrams
+\usepackage{tikz}
+\usetikzlibrary{shapes,arrows,positioning}
+\usetikzlibrary{intersections}
+% \usepackage{tikz-cd}
+% \usepackage{pgfplots}
+
+\usepackage{titlesec}
+
+% custom section
+\titleformat{\section}
+{\normalfont\huge\scshape}
+{\thesection\hskip 9pt\textpipe\hskip 9pt}
+{0pt}
+{}
+
+\newcommand{\sectionbreak}{\clearpage}
+
+
+
+%% -----------------------------------------------------------------------------
+%% Commands for Agda
+\usepackage[english]{babel}
+\usepackage[conor]{agda}
+\renewcommand{\AgdaKeywordFontStyle}[1]{\ensuremath{\mathrm{\underline{#1}}}}
+\renewcommand{\AgdaFunction}[1]{\textbf{\textcolor{AgdaFunction}{#1}}}
+\renewcommand{\AgdaField}{\AgdaFunction}
+% \definecolor{AgdaBound} {HTML}{000000}
+\definecolor{AgdaHole} {HTML} {FFFF33}
+
+\DeclareUnicodeCharacter{9665}{\ensuremath{\lhd}}
+\DeclareUnicodeCharacter{964}{\ensuremath{\tau}}
+\DeclareUnicodeCharacter{963}{\ensuremath{\sigma}}
+\DeclareUnicodeCharacter{915}{\ensuremath{\Gamma}}
+\DeclareUnicodeCharacter{8799}{\ensuremath{\stackrel{?}{=}}}
+\DeclareUnicodeCharacter{9655}{\ensuremath{\rhd}}
+
+\renewenvironment{code}%
+{\noindent\ignorespaces\advance\leftskip\mathindent\AgdaCodeStyle\pboxed\small}%
+{\endpboxed\par\noindent%
+\ignorespacesafterend\small}
+
+
+%% -----------------------------------------------------------------------------
+%% Commands
+
+\newcommand{\mysmall}{}
+\newcommand{\mysyn}{\AgdaKeyword}
+\newcommand{\mytyc}[1]{\textup{\AgdaDatatype{#1}}}
+\newcommand{\mydc}[1]{\textup{\AgdaInductiveConstructor{#1}}}
+\newcommand{\myfld}[1]{\textup{\AgdaField{#1}}}
+\newcommand{\myfun}[1]{\textup{\AgdaFunction{#1}}}
+\newcommand{\myb}[1]{\AgdaBound{$#1$}}
+\newcommand{\myfield}{\AgdaField}
+\newcommand{\myind}{\AgdaIndent}
+\newcommand{\mykant}{\textmd{\textsc{Bertus}}}
+\newcommand{\mysynel}[1]{#1}
+\newcommand{\myse}{\mysynel}
+\newcommand{\mytmsyn}{\mysynel{term}}
+\newcommand{\mysp}{\ }
+\newcommand{\myabs}[2]{\mydc{$\lambda$} #1 \mathrel{\mydc{$\mapsto$}} #2}
+\newcommand{\myappsp}{\hspace{0.07cm}}
+\newcommand{\myapp}[2]{#1 \myappsp #2}
+\newcommand{\mysynsep}{\ \ |\ \ }
+\newcommand{\myITE}[3]{\myfun{If}\, #1\, \myfun{Then}\, #2\, \myfun{Else}\, #3}
+\newcommand{\mycumul}{\preceq}
+
+\newcommand{\mydesc}[3]{
+  \noindent
+  \mbox{
+    \parbox{\textwidth}{
+      {\mysmall
+        \vspace{0.2cm}
+        \hfill \textup{\phantom{ygp}\textbf{#1}} $#2$
+        \framebox[\textwidth]{
+          \parbox{\textwidth}{
+            \vspace{0.1cm}
+            \centering{
+              #3
+            }
+            \vspace{0.2cm}
+          }
+        }
+        \vspace{0.2cm}
+      }
+    }
+  }
+}
+
+\newcommand{\mytmt}{\mysynel{t}}
+\newcommand{\mytmm}{\mysynel{m}}
+\newcommand{\mytmn}{\mysynel{n}}
+\newcommand{\myred}{\leadsto}
+\newcommand{\mysub}[3]{#1[#3 / #2]}
+\newcommand{\mytysyn}{\mysynel{type}}
+\newcommand{\mybasetys}{K}
+\newcommand{\mybasety}[1]{B_{#1}}
+\newcommand{\mytya}{\myse{A}}
+\newcommand{\mytyb}{\myse{B}}
+\newcommand{\mytycc}{\myse{C}}
+\newcommand{\myarr}{\mathrel{\textcolor{AgdaDatatype}{\to}}}
+\newcommand{\myprod}{\mathrel{\textcolor{AgdaDatatype}{\times}}}
+\newcommand{\myctx}{\Gamma}
+\newcommand{\myvalid}[1]{#1 \vdash \underline{\mathrm{valid}}}
+\newcommand{\myjudd}[3]{#1 \vdash #2 : #3}
+\newcommand{\myjud}[2]{\myjudd{\myctx}{#1}{#2}}
+\newcommand{\myabss}[3]{\mydc{$\lambda$} #1 {:} #2 \mathrel{\mydc{$\mapsto$}} #3}
+\newcommand{\mytt}{\mydc{$\langle\rangle$}}
+\newcommand{\myunit}{\mytyc{Unit}}
+\newcommand{\mypair}[2]{\mathopen{\mydc{$\langle$}}#1\mathpunct{\mydc{,}} #2\mathclose{\mydc{$\rangle$}}}
+\newcommand{\myfst}{\myfld{fst}}
+\newcommand{\mysnd}{\myfld{snd}}
+\newcommand{\myconst}{\myse{c}}
+\newcommand{\myemptyctx}{\varepsilon}
+\newcommand{\myhole}{\AgdaHole}
+\newcommand{\myfix}[3]{\mysyn{fix} \myappsp #1 {:} #2 \mapsto #3}
+\newcommand{\mysum}{\mathbin{\textcolor{AgdaDatatype}{+}}}
+\newcommand{\myleft}[1]{\mydc{left}_{#1}}
+\newcommand{\myright}[1]{\mydc{right}_{#1}}
+\newcommand{\myempty}{\mytyc{Empty}}
+\newcommand{\mycase}[2]{\mathopen{\myfun{[}}#1\mathpunct{\myfun{,}} #2 \mathclose{\myfun{]}}}
+\newcommand{\myabsurd}[1]{\myfun{absurd}_{#1}}
+\newcommand{\myarg}{\_}
+\newcommand{\myderivsp}{}
+\newcommand{\myderivspp}{\vspace{0.3cm}}
+\newcommand{\mytyp}{\mytyc{Type}}
+\newcommand{\myneg}{\myfun{$\neg$}}
+\newcommand{\myar}{\,}
+\newcommand{\mybool}{\mytyc{Bool}}
+\newcommand{\mytrue}{\mydc{true}}
+\newcommand{\myfalse}{\mydc{false}}
+\newcommand{\myitee}[5]{\myfun{if}\,#1 / {#2.#3}\,\myfun{then}\,#4\,\myfun{else}\,#5}
+\newcommand{\mynat}{\mytyc{$\mathbb{N}$}}
+\newcommand{\myrat}{\mytyc{$\mathbb{R}$}}
+\newcommand{\myite}[3]{\myfun{if}\,#1\,\myfun{then}\,#2\,\myfun{else}\,#3}
+\newcommand{\myfora}[3]{(#1 {:} #2) \myarr #3}
+\newcommand{\myexi}[3]{(#1 {:} #2) \myprod #3}
+\newcommand{\mypairr}[4]{\mathopen{\mydc{$\langle$}}#1\mathpunct{\mydc{,}} #4\mathclose{\mydc{$\rangle$}}_{#2{.}#3}}
+\newcommand{\mylist}{\mytyc{List}}
+\newcommand{\mynil}[1]{\mydc{[]}_{#1}}
+\newcommand{\mycons}{\mathbin{\mydc{∷}}}
+\newcommand{\myfoldr}{\myfun{foldr}}
+\newcommand{\myw}[3]{\myapp{\myapp{\mytyc{W}}{(#1 {:} #2)}}{#3}}
+\newcommand{\mynodee}{\mathbin{\mydc{$\lhd$}}}
+\newcommand{\mynode}[2]{\mynodee_{#1.#2}}
+\newcommand{\myrec}[4]{\myfun{rec}\,#1 / {#2.#3}\,\myfun{with}\,#4}
+\newcommand{\mylub}{\sqcup}
+\newcommand{\mydefeq}{\cong}
+\newcommand{\myrefl}{\mydc{refl}}
+\newcommand{\mypeq}{\mytyc{=}}
+\newcommand{\myjeqq}{\myfun{$=$-elim}}
+\newcommand{\myjeq}[3]{\myapp{\myapp{\myapp{\myjeqq}{#1}}{#2}}{#3}}
+\newcommand{\mysubst}{\myfun{subst}}
+\newcommand{\myprsyn}{\myse{prop}}
+\newcommand{\myprdec}[1]{\mathopen{\mytyc{$\llbracket$}} #1 \mathclose{\mytyc{$\rrbracket$}}}
+\newcommand{\myand}{\mathrel{\mytyc{$\wedge$}}}
+\newcommand{\mybigand}{\mathrel{\mytyc{$\bigwedge$}}}
+\newcommand{\myprfora}[3]{\forall #1 {:} #2.\, #3}
+\newcommand{\myimpl}{\mathrel{\mytyc{$\Rightarrow$}}}
+\newcommand{\mybot}{\mytyc{$\bot$}}
+\newcommand{\mytop}{\mytyc{$\top$}}
+\newcommand{\mycoe}{\myfun{coe}}
+\newcommand{\mycoee}[4]{\myapp{\myapp{\myapp{\myapp{\mycoe}{#1}}{#2}}{#3}}{#4}}
+\newcommand{\mycoh}{\myfun{coh}}
+\newcommand{\mycohh}[4]{\myapp{\myapp{\myapp{\myapp{\mycoh}{#1}}{#2}}{#3}}{#4}}
+\newcommand{\myjm}[4]{(#1 {:} #2) \mathrel{\mytyc{=}} (#3 {:} #4)}
+\newcommand{\myeq}{\mathrel{\mytyc{=}}}
+\newcommand{\myprop}{\mytyc{Prop}}
+\newcommand{\mytmup}{\mytmsyn\uparrow}
+\newcommand{\mydefs}{\Delta}
+\newcommand{\mynf}{\Downarrow}
+\newcommand{\myinff}[3]{#1 \vdash #2 \Uparrow #3}
+\newcommand{\myinf}[2]{\myinff{\myctx}{#1}{#2}}
+\newcommand{\mychkk}[3]{#1 \vdash #2 \Downarrow #3}
+\newcommand{\mychk}[2]{\mychkk{\myctx}{#1}{#2}}
+\newcommand{\myann}[2]{#1 : #2}
+\newcommand{\mydeclsyn}{\myse{decl}}
+\newcommand{\myval}[3]{#1 : #2 \mapsto #3}
+\newcommand{\mypost}[2]{\mysyn{abstract}\ #1 : #2}
+\newcommand{\myadt}[4]{\mysyn{data}\ #1 #2\ \mysyn{where}\ #3\{ #4 \}}
+\newcommand{\myreco}[4]{\mysyn{record}\ #1 #2\ \mysyn{where}\ \{ #4 \}}
+\newcommand{\myelabt}{\vdash}
+\newcommand{\myelabf}{\rhd}
+\newcommand{\myelab}[2]{\myctx \myelabt #1 \myelabf #2}
+\newcommand{\mytele}{\Delta}
+\newcommand{\mytelee}{\delta}
+\newcommand{\mydcctx}{\Gamma}
+\newcommand{\mynamesyn}{\myse{name}}
+\newcommand{\myvec}{\overrightarrow}
+\newcommand{\mymeta}{\textsc}
+\newcommand{\myhyps}{\mymeta{hyps}}
+\newcommand{\mycc}{;}
+\newcommand{\myemptytele}{\varepsilon}
+\newcommand{\mymetagoes}{\Longrightarrow}
+% \newcommand{\mytesctx}{\
+\newcommand{\mytelesyn}{\myse{telescope}}
+\newcommand{\myrecs}{\mymeta{recs}}
+\newcommand{\myle}{\mathrel{\lcfun{$\le$}}}
+\newcommand{\mylet}{\mysyn{let}}
+\newcommand{\myhead}{\mymeta{head}}
+\newcommand{\mytake}{\mymeta{take}}
+\newcommand{\myix}{\mymeta{ix}}
+\newcommand{\myapply}{\mymeta{apply}}
+\newcommand{\mydataty}{\mymeta{datatype}}
+\newcommand{\myisreco}{\mymeta{record}}
+\newcommand{\mydcsep}{\ |\ }
+\newcommand{\mytree}{\mytyc{Tree}}
+\newcommand{\myproj}[1]{\myfun{$\pi_{#1}$}}
+\newcommand{\mysigma}{\mytyc{$\Sigma$}}
+\newcommand{\mynegder}{\vspace{-0.3cm}}
+\newcommand{\myquot}{\Uparrow}
+\newcommand{\mynquot}{\, \Downarrow}
+\newcommand{\mycanquot}{\ensuremath{\textsc{quote}{\Downarrow}}}
+\newcommand{\myneuquot}{\ensuremath{\textsc{quote}{\Uparrow}}}
+\newcommand{\mymetaguard}{\ |\ }
+\newcommand{\mybox}{\Box}
+\newcommand{\mytermi}[1]{\text{\texttt{#1}}}
+\newcommand{\mysee}[1]{\langle\myse{#1}\rangle}
+
+\renewcommand{\[}{\begin{equation*}}
+\renewcommand{\]}{\end{equation*}}
+\newcommand{\mymacol}[2]{\text{\textcolor{#1}{$#2$}}}
+
+\newtheorem*{mydef}{Definition}
+\newtheoremstyle{named}{}{}{\itshape}{}{\bfseries}{}{.5em}{\textsc{#1}}
+\theoremstyle{named}
+
+\pgfdeclarelayer{background}
+\pgfdeclarelayer{foreground}
+\pgfsetlayers{background,main,foreground}
+
+\definecolor{webgreen}{rgb}{0,.5,0}
+\definecolor{webbrown}{rgb}{.6,0,0}
+\definecolor{webyellow}{rgb}{0.98,0.92,0.73}
+
+\hypersetup{
+colorlinks=true, linktocpage=true, pdfstartpage=3, pdfstartview=FitV,
+breaklinks=true, pdfpagemode=UseNone, pageanchor=true, pdfpagemode=UseOutlines,
+plainpages=false, bookmarksnumbered, bookmarksopen=true, bookmarksopenlevel=1,
+hypertexnames=true, pdfhighlight=/O, urlcolor=webbrown, linkcolor=black, citecolor=webgreen}
+
+
+%% -----------------------------------------------------------------------------
+
+\title{\mykant: Implementing Observational Equality}
+\author{Francesco Mazzoli \href{mailto:fm2209@ic.ac.uk}{\nolinkurl{<fm2209@ic.ac.uk>}}}
+\date{June 2013}
+
+  \iffalse
+  \begin{code}
+    module final where
+  \end{code}
+  \fi
+
+\begin{document}
+
+\pagenumbering{gobble}
+
+\begin{center}
+
+
+% Upper part of the page. The '~' is needed because \\
+% only works if a paragraph has started.
+\includegraphics[width=0.4\textwidth]{brouwer-cropped.png}~\\[1cm]
+
+\textsc{\Large Final year project}\\[0.5cm]
+
+% Title
+{ \huge \mykant: Implementing Observational Equality}\\[1.5cm]
+
+{\Large Francesco \textsc{Mazzoli} \href{mailto:fm2209@ic.ac.uk}{\nolinkurl{<fm2209@ic.ac.uk>}}}\\[0.8cm]
+
+  \begin{minipage}{0.4\textwidth}
+  \begin{flushleft} \large
+    \emph{Supervisor:}\\
+    Dr. Steffen \textsc{van Bakel}
+  \end{flushleft}
+\end{minipage}
+\begin{minipage}{0.4\textwidth}
+  \begin{flushright} \large
+    \emph{Second marker:} \\
+    Dr. Philippa \textsc{Gardner}
+  \end{flushright}
+\end{minipage}
+\vfill
+
+% Bottom of the page
+{\large \today}
+
+\end{center}
+
+\clearpage
+
+\mbox{}
+\clearpage
+
+\begin{abstract}
+  The marriage between programming and logic has been a fertile one.  In
+  particular, since the definition of the simply typed
+  $\lambda$-calculus, a number of type systems have been devised with
+  increasing expressive power.
+
+  Among this systems, Intuitionistic Type Theory (ITT) has been a
+  popular framework for theorem provers and programming languages.
+  However, reasoning about equality has always been a tricky business in
+  ITT and related theories.  In this thesis we shall explain why this is
+  the case, and present Observational Type Theory (OTT), a solution to
+  some of the problems with equality.
+
+  To bring OTT closer to the current practice of interactive theorem
+  provers, we describe \mykant, a system featuring OTT in a setting more
+  close to the one found in widely used provers such as Agda and Coq.
+  Most notably, we feature user defined inductive and record types and a
+  cumulative, implicit type hierarchy.  Having implemented part of
+  $\mykant$ as a Haskell program, we describe some of the implementation
+  issues faced.
+\end{abstract}
+
+\clearpage
+
+\mbox{}
+\clearpage
+
+\renewcommand{\abstractname}{Acknowledgements}
+\begin{abstract}
+  I would like to thank Steffen van Bakel, my supervisor, who was brave
+  enough to believe in my project and who provided support and
+  invaluable advice.
+
+  I would also like to thank the Haskell and Agda community on
+  \texttt{IRC}, which guided me through the strange world of types; and
+  in particular Andrea Vezzosi and James Deikun, with whom I entertained
+  countless insightful discussions over the past year.  Andrea suggested
+  Observational Type Theory as a topic of study: this thesis would not
+  exist without him.  Before them, Tony Field introduced me to Haskell,
+  unknowingly filling most of my free time from that time on.
+
+  Finally, most of the work stems from the research of Conor McBride,
+  who answered many of my doubts through these months.  I also owe him
+  the colours.
+\end{abstract}
+
+\clearpage
+\mbox{}
+\clearpage
+
+\tableofcontents
+
+\section{Introduction}
+
+\pagenumbering{arabic}
+
+Functional programming is in good shape.  In particular the `well-typed'
+line of work originating from Milner's ML has been extremely fruitful,
+in various directions.  Nowadays functional, well-typed programming
+languages like Haskell or OCaml are slowly being absorbed by the
+mainstream.  An important related development---and in fact the original
+motivator for ML's existence---is the advancement of the practice of
+\emph{interactive theorem provers}.
+
+
+An interactive theorem prover, or proof assistant, is a tool that lets
+the user develop formal proofs with the confidence of the machine
+checking them for correctness.  While the effort towards a full
+formalisation of mathematics has been ongoing for more than a century,
+theorem provers have been the first class of software whose
+implementation depends directly on these theories.
+
+In a fortunate turn of events, it was discovered that well-typed
+functional programming and proving theorems in an \emph{intuitionistic}
+logic are the same activity.  Under this discipline, the types in our
+programming language can be interpreted as proposition in our logic; and
+the programs implementing the specification given by the types as their
+proofs.  This fact stimulated an active transfer of techniques and
+knowledge between logic and programming language theory, in both
+directions.
+
+Mathematics could provide programming with a wealth of abstractions and
+constructs developed over centuries.  Moreover, identifying our types
+with a logic lets us focus on foundational questions regarding
+programming with a much more solid approach, given the years of rigorous
+study of logic.  Programmers, on the other hand, had already developed a
+number of approaches to effectively collaborate with computers, through
+the study of programming languages.
+
+In this space, we shall follow the discipline of Intuitionistic Type
+Theory, or Martin-L\"{o}f Type Theory, after its inventor.  First
+formulated in the 70s and then adjusted through a series of revisions,
+it has endured as the core of many practical systems in wide use
+today, and it is the most prominent instance of the proposition-as-types
+and proofs-as-programs paradigm.  One of the most debated subjects in
+this field has been regarding what notion of equality should be
+exposed to the user.
+
+The tension when studying equality in type theory springs from the fact
+that there is a divide between what the user can prove equal
+\emph{inside} the theory---what is \emph{propositionally} equal---and
+what the theorem prover identifies as equal in its meta-theory---what is
+\emph{definitionally} equal.  If we want our system to be well behaved
+(mostly if we want to keep type checking decidable) we must keep the two
+notions separate, with definitional equality inducing propositional
+equality, but not the reverse.  However in this scenario propositional
+equality is weaker than we would like: we can only prove terms equal
+based on their syntactical structure, and not based on their behaviour.
+
+This thesis is concerned with exploring a new approach in this area,
+\emph{observational} equality.  Promising to provide a more adequate
+propositional equality while retaining well-behavedness, it still is a
+relatively unexplored notion.  We set ourselves to change that by
+studying it in a setting more akin to the one found in currently
+available theorem provers.
+
+\subsection{Structure}
+
+Section \ref{sec:types} will give a brief overview of the
+$\lambda$-calculus, both typed and untyped.  This will give us the
+chance to introduce most of the concepts mentioned above rigorously, and
+gain some intuition about them.  An excellent introduction to types in
+general can be found in \cite{Pierce2002}, although not from the
+perspective of theorem proving.
+
+Section \ref{sec:itt} will describe a set of basic construct that form a
+`baseline' Intuitionistic Type Theory.  The goal is to familiarise with
+the main concept of ITT before attacking the problem of equality.  Given
+the wealth of material covered the exposition is quite dense.  Good
+introductions can be found in \cite{Thompson1991}, \cite{Nordstrom1990},
+and \cite{Martin-Lof1984} himself.
+
+Section \ref{sec:equality} will introduce propositional equality.  The
+properties of propositional equality will be discussed along with its
+limitations.  After reviewing some extensions, we will explain why
+identifying definitional equality with propositional equality causes
+problems.
+
+Section \ref{sec:ott} will introduce observational equality, following
+closely the original exposition by \cite{Altenkirch2007}.  The
+presentation is free-standing but glosses over the meta-theoretic
+properties of OTT, focusing on the mechanisms that make it work.
+
+Section \ref{sec:kant-theory} is the central part of the thesis and will
+describe \mykant, a system we have developed incorporating OTT along
+constructs usually present in modern theorem provers.  Along the way, we
+discuss these additional features and their trade-offs.  Section
+\ref{sec:kant-practice} will describe an implementation implementing
+part of \mykant.  A high level design of the software is given, along
+with a few specific implementation issues.
+
+Finally, Section \ref{sec:evaluation} will asses the decisions made in
+designing and implementing \mykant and the results achieved; and Section
+\ref{sec:future-work} will give a roadmap to bring \mykant\ on par and
+beyond the competition.
+
+\subsection{Contributions}
+\label{sec:contributions}
+
+The contribution of this thesis is threefold:
+
+\begin{itemize}
+\item Provide a description of observational equality `in context', to
+  make the subject more accessible.  Considering the possibilities that
+  OTT brings to the table, we think that introducing it to a wider
+  audience can only be beneficial.
+
+\item Fill in the gaps needed to make OTT work with user-defined
+  inductive types and a type hierarchy.  We show how one notion of
+  equality is enough, instead of separate notions of value- and
+  type-equality as presented in the original paper.  We are able to keep
+  the type equalities `small' while preserving subject reduction by
+  exploiting the fact that we work within a cumulative theory.
+  Incidentally, we also describe a generalised version of bidirectional
+  type checking for user defined types.
+
+\item Provide an implementation to probe the possibilities of OTT in a
+  more realistic setting.  We have implemented an ITT with user defined
+  types but due to the limited time constraints we were not able to
+  complete the implementation of observational equality.  Nonetheless,
+  we describe some interesting implementation issues faced by the type
+  theory implementor.
+\end{itemize}
+
+The system developed as part of this thesis, \mykant, incorporates OTT
+with features that are familiar to users of existing theorem provers
+adopting the proofs-as-programs mantra.  The defining features of
+\mykant\ are:
+
+\begin{description}
+\item[Full dependent types] In ITT, types are a very `first class' notion
+  and can be the result of computation---they can \emph{depend} on
+  values, thus the name \emph{dependent types}.  \mykant\ espouses this
+  notion to its full consequences.
+
+\item[User defined data types and records] Instead of forcing the user
+  to choose from a restricted toolbox, we let her define types for
+  greater flexibility.  We have two kinds of user defined types:
+  inductive data types, formed by various data constructors whose type
+  signatures can contain recursive occurrences of the type being
+  defined; and records, where we have just one data constructor, and
+  projections to extract each each field in said constructor.
+
+\item[Consistency] Our system is meant to be consistent with respect to
+  the logic it embodies.  For this reason, we restrict recursion to
+  \emph{structural} recursion on the defined inductive types, through
+  the use of operators (destructors) computing on each type.  Following
+  the types-as-propositions interpretation, each destructor expresses an
+  induction principle on the data type it operates on.  To achieve the
+  consistency of these operations we make sure that our recursive data
+  types are \emph{strictly positive}.
+
+\item[Bidirectional type checking] We take advantage of a
+  \emph{bidirectional} type inference system in the style of
+  \cite{Pierce2000}.  This cuts down the type annotations by a
+  considerable amount in an elegant way and at a very low cost.
+  Bidirectional type checking is usually employed in core calculi, but
+  in \mykant\ we extend the concept to user defined  types.
+
+\item[Type hierarchy] In set theory we have to take powerset-like
+  objects with care, if we want to avoid paradoxes.  However, the
+  working mathematician is rarely concerned by this, and the consistency
+  in this regard is implicitly assumed.  In the tradition of
+  \cite{Russell1927}, in \mykant\ we employ a \emph{type hierarchy} to
+  make sure that these size issues are taken care of; and we employ
+  system so that the user will be free from thinking about the
+  hierarchy, just like the mathematician is.
+
+\item[Observational equality] The motivator of this thesis, \mykant\
+  incorporates a notion of observational equality, modifying the
+  original presentation by \cite{Altenkirch2007} to fit our more
+  expressive system.  As mentioned, we reconcile OTT with user defined
+  types and a type hierarchy. 
+
+\item[Type holes] When building up programs interactively, it is useful
+  to leave parts unfinished while exploring the current context.  This
+  is what type holes are for.
+\end{description}
+
+\subsection{Notation and syntax}
+
+Appendix \ref{app:notation} describes the notation and syntax used in
+this thesis.
+
+\section{Simple and not-so-simple types}
+\label{sec:types}
+
+\epigraph{\emph{Well typed programs can't go wrong.}}{Robin Milner}
+
+\subsection{The untyped $\lambda$-calculus}
+\label{sec:untyped}
+
+Along with Turing's machines, the earliest attempts to formalise
+computation lead to the definition of the $\lambda$-calculus
+\citep{Church1936}.  This early programming language encodes computation
+with a minimal syntax and no `data' in the traditional sense, but just
+functions.  Here we give a brief overview of the language, which will
+give the chance to introduce concepts central to the analysis of all the
+following calculi.  The exposition follows the one found in Chapter 5 of
+\cite{Queinnec2003}.
+
+\begin{mydef}[$\lambda$-terms]
+  Syntax of the $\lambda$-calculus: variables, abstractions, and
+  applications.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \myb{x} \mysynsep \myabs{\myb{x}}{\mytmsyn} \mysynsep (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
+    x          & \in & \text{Some enumerable set of symbols}
+  \end{array}
+  $
+}
+
+Parenthesis will be omitted in the usual way, with application being
+left associative.
+
+Abstractions roughly corresponds to functions, and their semantics is more
+formally explained by the $\beta$-reduction rule.
+
+\begin{mydef}[$\beta$-reduction]
+$\beta$-reduction and substitution for the $\lambda$-calculus.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+  $
+  \begin{array}{l}
+    \myapp{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}\text{ \textbf{where}} \\
+    \myind{2}
+    \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
+      \mysub{\myb{y}}{\myb{x}}{\mytmn} \mymetaguard \myb{x} = \myb{y} & \mymetagoes & \mytmn \\
+      \mysub{\myb{y}}{\myb{x}}{\mytmn} & \mymetagoes & \myb{y} \\
+      \mysub{(\myapp{\mytmt}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & \mymetagoes & (\myapp{\mysub{\mytmt}{\myb{x}}{\mytmn}}{\mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}}) \\
+      \mysub{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & \mymetagoes & \myabs{\myb{x}}{\mytmm} \\
+      \mysub{(\myabs{\myb{y}}{\mytmm})}{\myb{x}}{\mytmn} & \mymetagoes & \myabs{\myb{z}}{\mysub{\mysub{\mytmm}{\myb{y}}{\myb{z}}}{\myb{x}}{\mytmn}} \\
+      \multicolumn{3}{l}{\myind{2} \text{\textbf{with} $\myb{x} \neq \myb{y}$ and $\myb{z}$ not free in $\myapp{\mytmm}{\mytmn}$}}
+    \end{array}
+  \end{array}
+  $
+}
+
+The care required during substituting variables for terms is to avoid
+name capturing.  We will use substitution in the future for other
+name-binding constructs assuming similar precautions.
+
+These few elements have a remarkable expressiveness, and are in fact
+Turing complete.  As a corollary, we must be able to devise a term that
+reduces forever (`loops' in imperative terms):
+\[
+  (\myapp{\omega}{\omega}) \myred (\myapp{\omega}{\omega}) \myred \cdots \text{, \textbf{where} $\omega = \myabs{x}{\myapp{x}{x}}$}
+\]
+\begin{mydef}[redex]
+  A \emph{redex} is a term that can be reduced.
+\end{mydef}
+In the untyped $\lambda$-calculus this will be the case for an
+application in which the first term is an abstraction, but in general we
+call a term reducible if it appears to the left of a reduction rule.
+\begin{mydef}[normal form]
+  A term that contains no redexes is said to be in \emph{normal form}.
+\end{mydef}
+\begin{mydef}[normalising terms and systems]
+  Terms that reduce in a finite number of reduction steps to a normal
+  form are \emph{normalising}.  A system in which all terms are
+  normalising is said to have the \emph{normalisation property}, or
+  to be \emph{normalising}.
+\end{mydef}
+Given the reduction behaviour of $(\myapp{\omega}{\omega})$, it is clear
+that the untyped $\lambda$-calculus does not have the normalisation
+property.
+
+We have not presented reduction in an algorithmic way, but
+\emph{evaluation strategies} can be employed to reduce term
+systematically. Common evaluation strategies include \emph{call by
+  value} (or \emph{strict}), where arguments of abstractions are reduced
+before being applied to the abstraction; and conversely \emph{call by
+  name} (or \emph{lazy}), where we reduce only when we need to do so to
+proceed---in other words when we have an application where the function
+is still not a $\lambda$. In both these strategies we never
+reduce under an abstraction.  For this reason a weaker form of
+normalisation is used, where all abstractions are said to be in
+\emph{weak head normal form} even if their body is not.
+
+\subsection{The simply typed $\lambda$-calculus}
+
+A convenient way to `discipline' and reason about $\lambda$-terms is to
+assign \emph{types} to them, and then check that the terms that we are
+forming make sense given our typing rules \citep{Curry1934}.  The first
+most basic instance of this idea takes the name of \emph{simply typed
+  $\lambda$-calculus} (STLC).
+\begin{mydef}[Simply typed $\lambda$-calculus]
+  The syntax and typing rules for the STLC are given in Figure \ref{fig:stlc}.
+\end{mydef}
+
+Our types contain a set of \emph{type variables} $\Phi$, which might
+correspond to some `primitive' types; and $\myarr$, the type former for
+`arrow' types, the types of functions.  The language is explicitly
+typed: when we bring a variable into scope with an abstraction, we
+declare its type.  Reduction is unchanged from the untyped
+$\lambda$-calculus.
+
+\begin{figure}[t]
+  \mydesc{syntax}{ }{
+    $
+    \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+      \mytmsyn   & ::= & \myb{x} \mysynsep \myabss{\myb{x}}{\mytysyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+      (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
+      \mytysyn   & ::= & \myse{\phi} \mysynsep \mytysyn \myarr \mytysyn  \mysynsep \\
+      \myb{x}    & \in & \text{Some enumerable set of symbols} \\
+      \myse{\phi} & \in & \Phi
+    \end{array}
+    $
+  }
+  
+  \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
+      \begin{tabular}{ccc}
+        \AxiomC{$\myctx(x) = A$}
+        \UnaryInfC{$\myjud{\myb{x}}{A}$}
+        \DisplayProof
+        &
+        \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : A}{\mytmt}{\mytyb}$}
+        \UnaryInfC{$\myjud{\myabss{x}{A}{\mytmt}}{\mytyb}$}
+        \DisplayProof
+        &
+        \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya \myarr \mytyb}$}
+        \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
+        \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mytyb}$}
+        \DisplayProof
+      \end{tabular}
+}
+  \caption{Syntax and typing rules for the STLC.  Reduction is unchanged from
+    the untyped $\lambda$-calculus.}
+  \label{fig:stlc}
+\end{figure}
+
+In the typing rules, a context $\myctx$ is used to store the types of
+bound variables: $\myemptyctx$ is the empty context, and $\myctx;
+\myb{x} : \mytya$ adds a variable to the context.  $\myctx(x)$ extracts
+the type of the rightmost occurrence of $x$.
+
+This typing system takes the name of `simply typed lambda calculus' (STLC), and
+enjoys a number of properties.  Two of them are expected in most type systems
+\citep{Pierce2002}:
+\begin{mydef}[Progress]
+  A well-typed term is not stuck---it is either a variable, or it does
+  not appear on the left of the $\myred$ relation , or it can take a
+  step according to the evaluation rules.
+\end{mydef}
+\begin{mydef}[Subject reduction]
+  If a well-typed term takes a step of evaluation, then the
+  resulting term is also well-typed, and preserves the previous type.
+\end{mydef}
+
+However, STLC buys us much more: every well-typed term is normalising
+\citep{Tait1967}.  It is easy to see that we cannot fill the blanks if we want to
+give types to the non-normalising term shown before:
+\[
+  \myapp{(\myabss{\myb{x}}{\myhole{?}}{\myapp{\myb{x}}{\myb{x}}})}{(\myabss{\myb{x}}{\myhole{?}}{\myapp{\myb{x}}{\myb{x}}})}
+\]
+This makes the STLC Turing incomplete.  We can recover the ability to loop by
+adding a combinator that recurses:
+\begin{mydef}[Fixed-point combinator]\end{mydef}
+\mynegder
+\noindent
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+\mydesc{syntax}{ } {
+  $ \mytmsyn ::= \cdots b \mysynsep \myfix{\myb{x}}{\mytysyn}{\mytmsyn} $
+  \vspace{0.4cm}
+}
+\end{minipage} 
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}} {
+    \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytmt}{\mytya}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}}{\mytya}$}
+    \DisplayProof
+}
+\end{minipage} 
+\mynegder
+\mydesc{reduction:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+    $ \myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt} \myred \mysub{\mytmt}{\myb{x}}{(\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt})}$
+}
+
+\mysyn{fix} will deprive us of normalisation, which is a particularly bad thing if we
+want to use the STLC as described in the next section.
+
+Another important property of the STLC is the Church-Rosser property:
+\begin{mydef}[Church-Rosser property]
+  A system is said to have the \emph{Church-Rosser} property, or to be
+  \emph{confluent}, if given any two reductions $\mytmm$ and $\mytmn$ of
+  a given term $\mytmt$, there is exist a term to which both $\mytmm$
+  and $\mytmn$ can be reduced.
+\end{mydef}
+Given that the STLC has the normalisation property and the Church-Rosser
+property, each term has a \emph{unique} normal form.
+
+\subsection{The Curry-Howard correspondence}
+
+As hinted in the introduction, it turns out that the STLC can be seen a
+natural deduction system for intuitionistic propositional logic.  Terms
+correspond to proofs, and their types correspond to the propositions
+they prove.  This remarkable fact is known as the Curry-Howard
+correspondence, or isomorphism.
+
+The arrow ($\myarr$) type corresponds to implication.  If we wish to prove that
+that $(\mytya \myarr \mytyb) \myarr (\mytyb \myarr \mytycc) \myarr (\mytya
+\myarr \mytycc)$, all we need to do is to devise a $\lambda$-term that has the
+correct type:
+\[
+  \myabss{\myb{f}}{(\mytya \myarr \mytyb)}{\myabss{\myb{g}}{(\mytyb \myarr \mytycc)}{\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myapp{\myb{g}}{(\myapp{\myb{f}}{\myb{x}})}}}}
+\]
+Which is known to functional programmers as function composition. Going
+beyond arrow types, we can extend our bare lambda calculus with useful
+types to represent other logical constructs.
+\begin{mydef}[The extended STLC]
+  Figure \ref{fig:natded} shows syntax, reduction, and typing rules for
+  the \emph{extended simply typed $\lambda$-calculus}.
+\end{mydef}
+
+\begin{figure}[t]
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \cdots \\
+             &  |  & \mytt \mysynsep \myapp{\myabsurd{\mytysyn}}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \myapp{\myleft{\mytysyn}}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \myapp{\myright{\mytysyn}}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \myapp{\mycase{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \mypair{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \myapp{\myfst}{\mytmsyn} \mysynsep \myapp{\mysnd}{\mytmsyn} \\
+    \mytysyn & ::= & \cdots \mysynsep \myunit \mysynsep \myempty \mysynsep \mytmsyn \mysum \mytmsyn \mysynsep \mytysyn \myprod \mytysyn
+  \end{array}
+  $
+}
+
+\mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      $
+      \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+        \myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{(\myapp{\myleft{\mytya} &}{\mytmt})} & \myred &
+          \myapp{\mytmm}{\mytmt} \\
+        \myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{(\myapp{\myright{\mytya} &}{\mytmt})} & \myred &
+          \myapp{\mytmn}{\mytmt}
+      \end{array}
+      $
+      &
+      $
+      \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+        \myapp{\myfst &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmm \\
+        \myapp{\mysnd &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmn
+      \end{array}
+      $
+    \end{tabular}
+}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytt}{\myunit}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myabsurd{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myleft{\mytyb}}{\mytmt}}{\mytya \mysum \mytyb}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myright{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya \mysum \mytyb}$}
+      \DisplayProof
+
+    \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya \myarr \mytyb}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya \myarr \mytycc}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \mysum \mytyb}$}
+      \TrinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mycase{\mytmm}{\mytmn}}{\mytmt}}{\mytycc}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytyb}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\mypair{\mytmm}{\mytmn}}{\mytya \myprod \mytyb}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mytyb}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+\caption{Rules for the extended STLC.  Only the new features are shown, all the
+  rules and syntax for the STLC apply here too.}
+  \label{fig:natded}
+\end{figure}
+
+Tagged unions (or sums, or coproducts---$\mysum$ here, \texttt{Either}
+in Haskell) correspond to disjunctions, and dually tuples (or pairs, or
+products---$\myprod$ here, tuples in Haskell) correspond to
+conjunctions.  This is apparent looking at the ways to construct and
+destruct the values inhabiting those types: for $\mysum$ $\myleft{ }$
+and $\myright{ }$ correspond to $\vee$ introduction, and
+$\mycase{\myarg}{\myarg}$ to $\vee$ elimination; for $\myprod$
+$\mypair{\myarg}{\myarg}$ corresponds to $\wedge$ introduction, $\myfst$
+and $\mysnd$ to $\wedge$ elimination.
+
+The trivial type $\myunit$ corresponds to the logical $\top$ (true), and
+dually $\myempty$ corresponds to the logical $\bot$ (false).  $\myunit$
+has one introduction rule ($\mytt$), and thus one inhabitant; and no
+eliminators---we cannot gain any information from a witness of the
+single member of $\myunit$.  $\myempty$ has no introduction rules, and
+thus no inhabitants; and one eliminator ($\myabsurd{ }$), corresponding
+to the logical \emph{ex falso quodlibet}.
+
+With these rules, our STLC now looks remarkably similar in power and use to the
+natural deduction we already know.
+\begin{mydef}[Negation]
+  $\myneg \mytya$ can be expressed as $\mytya \myarr \myempty$.
+\end{mydef}
+However, there is an important omission: there is no term of
+the type $\mytya \mysum \myneg \mytya$ (excluded middle), or equivalently
+$\myneg \myneg \mytya \myarr \mytya$ (double negation), or indeed any term with
+a type equivalent to those.
+
+This has a considerable effect on our logic and it is no coincidence, since there
+is no obvious computational behaviour for laws like the excluded middle.
+Logics of this kind are called \emph{intuitionistic}, or \emph{constructive},
+and all the systems analysed will have this characteristic since they build on
+the foundation of the STLC.\footnote{There is research to give computational
+  behaviour to classical logic, but I will not touch those subjects.}
+
+As in logic, if we want to keep our system consistent, we must make sure that no
+closed terms (in other words terms not under a $\lambda$) inhabit $\myempty$.
+The variant of STLC presented here is indeed
+consistent, a result that follows from the fact that it is
+normalising.
+Going back to our $\mysyn{fix}$ combinator, it is easy to see how it ruins our
+desire for consistency.  The following term works for every type $\mytya$,
+including bottom:
+\[(\myfix{\myb{x}}{\mytya}{\myb{x}}) : \mytya\]
+
+\subsection{Inductive data}
+\label{sec:ind-data}
+
+To make the STLC more useful as a programming language or reasoning tool it is
+common to include (or let the user define) inductive data types.  These comprise
+of a type former, various constructors, and an eliminator (or destructor) that
+serves as primitive recursor.
+
+\begin{mydef}[Finite lists for the STLC]
+We add a $\mylist$ type constructor, along with an `empty
+list' ($\mynil{ }$) and `cons cell' ($\mycons$) constructor.  The eliminator for
+lists will be the usual folding operation ($\myfoldr$).  Full rules in Figure
+\ref{fig:list}.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\begin{figure}[h]
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mynil{\mytysyn} \mysynsep \mytmsyn \mycons \mytmsyn
+                     \mysynsep
+                     \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\mytmsyn}}{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
+    \mytysyn & ::= & \cdots \mysynsep \myapp{\mylist}{\mytysyn}
+  \end{array}
+  $
+}
+\mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+  $
+  \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
+    \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{\mynil{\mytya}} & \myred & \mytmt \\
+
+    \myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{(\mytmm \mycons \mytmn)} & \myred &
+    \myapp{\myapp{\myse{f}}{\mytmm}}{(\myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\myse{f}}}{\mytmt}}{\mytmn})}
+  \end{array}
+  $
+}
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mynil{\mytya}}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mycons \mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+  \myderivspp
+
+    \AxiomC{$\myjud{\mysynel{f}}{\mytya \myarr \mytyb \myarr \mytyb}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytyb}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myapp{\mylist}{\mytya}}$}
+    \TrinaryInfC{$\myjud{\myapp{\myapp{\myapp{\myfoldr}{\mysynel{f}}}{\mytmm}}{\mytmn}}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+}
+\caption{Rules for lists in the STLC.}
+\label{fig:list}
+\end{figure}
+
+In Section \ref{sec:well-order} we will see how to give a general account of
+inductive data.
+
+\section{Intuitionistic Type Theory}
+\label{sec:itt}
+
+\epigraph{\emph{Martin-L{\"o}f's type theory is a well established and
+    convenient arena in which computational Christians are regularly
+    fed to logical lions.}}{Conor McBride}
+
+\subsection{Extending the STLC}
+
+\cite{Barendregt1991} succinctly expressed geometrically how we can add
+expressively to the STLC:
+$$
+\xymatrix@!0@=1.5cm{
+  & \lambda\omega \ar@{-}[rr]\ar@{-}'[d][dd]
+  & & \lambda C \ar@{-}[dd]
+  \\
+  \lambda2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[rr]\ar@{-}[dd]
+  & & \lambda P2 \ar@{-}[ur]\ar@{-}[dd]
+  \\
+  & \lambda\underline\omega \ar@{-}'[r][rr]
+  & & \lambda P\underline\omega
+  \\
+  \lambda{\to} \ar@{-}[rr]\ar@{-}[ur]
+  & & \lambda P \ar@{-}[ur]
+}
+$$
+Here $\lambda{\to}$, in the bottom left, is the STLC.  From there can move along
+3 dimensions:
+\begin{description}
+\item[Terms depending on types (towards $\lambda{2}$)] We can quantify over
+  types in our type signatures.  For example, we can define a polymorphic
+  identity function, where $\mytyp$ denotes the `type of types':
+  \[\displaystyle
+  (\myabss{\myb{A}}{\mytyp}{\myabss{\myb{x}}{\myb{A}}{\myb{x}}}) : (\myb{A} {:} \mytyp) \myarr \myb{A} \myarr \myb{A}
+  \]
+  The first and most famous instance of this idea has been System F.
+  This form of polymorphism and has been wildly successful, also thanks
+  to a well known inference algorithm for a restricted version of System
+  F known as Hindley-Milner \citep{milner1978theory}.  Languages like
+  Haskell and SML are based on this discipline.  In Haskell the above
+  example would be
+  \begin{Verbatim}
+id :: a -> a
+id x = x
+  \end{Verbatim}
+  Where \texttt{a} implicitly quantifies over a type, and will be
+  instantiated automatically when \texttt{id} is used thanks to the type inference.
+\item[Types depending on types (towards $\lambda{\underline{\omega}}$)] We have
+  type operators.  For example we could define a function that given types $R$
+  and $\mytya$ forms the type that represents a value of type $\mytya$ in
+  continuation passing style:
+  \[\displaystyle(\myabss{\myb{R} \myappsp \myb{A}}{\mytyp}{(\myb{A}
+    \myarr \myb{R}) \myarr \myb{R}}) : \mytyp \myarr \mytyp \myarr \mytyp
+  \]
+  In Haskell we can define type operator of sorts, although we must
+  pair them with data constructors, to keep inference manageable:
+  \begin{Verbatim}
+newtype Cont r a = Cont ((a -> r) -> r)
+  \end{Verbatim}
+  Where the `type' (kind in Haskell parlance) of \texttt{Cont} will be
+  \texttt{* -> * -> *}, with \texttt{*} signifying the type of types.
+\item[Types depending on terms (towards $\lambda{P}$)] Also known as `dependent
+  types', give great expressive power.  For example, we can have values of whose
+  type depend on a boolean:
+  \[\displaystyle(\myabss{\myb{x}}{\mybool}{\myite{\myb{x}}{\mynat}{\myrat}}) : \mybool
+  \myarr \mytyp\] We cannot give an Haskell example that expresses this
+  concept since Haskell does not support dependent types---it would be a
+  very different language if it did.
+\end{description}
+
+All the systems placed on the cube preserve the properties that make the
+STLC well behaved.  The one we are going to focus on, Intuitionistic
+Type Theory, has all of the above additions, and thus would sit where
+$\lambda{C}$ sits.  It will serve as the logical
+`core' of all the other extensions that we will present and ultimately
+our implementation of a similar logic.
+
+\subsection{A Bit of History}
+
+Logic frameworks and programming languages based on type theory have a
+long history.  Per Martin-L\"{o}f described the first version of his
+theory in 1971, but then revised it since the original version was
+inconsistent due to its impredicativity.\footnote{In the early version
+  there was only one universe $\mytyp$ and $\mytyp : \mytyp$; see
+  Section \ref{sec:term-types} for an explanation on why this causes
+  problems.}  For this reason he later gave a revised and consistent
+definition \citep{Martin-Lof1984}.
+
+A related development is the polymorphic $\lambda$-calculus, and specifically
+the previously mentioned System F, which was developed independently by Girard
+and Reynolds.  An overview can be found in \citep{Reynolds1994}.  The surprising
+fact is that while System F is impredicative it is still consistent and strongly
+normalising.  \cite{Coquand1986} further extended this line of work with the
+Calculus of Constructions (CoC).
+
+Most widely used interactive theorem provers are based on ITT.  Popular
+ones include Agda \citep{Norell2007}, Coq \citep{Coq}, Epigram
+\citep{McBride2004, EpigramTut}, Isabelle \citep{Paulson1990}, and many
+others.
+
+\subsection{A simple type theory}
+\label{sec:core-tt}
+
+The calculus I present follows the exposition in \cite{Thompson1991},
+and is quite close to the original formulation of \cite{Martin-Lof1984}.
+Agda and \mykant\ renditions of the presented theory and all the
+examples (even the ones presented only as type signatures) are
+reproduced in Appendix \ref{app:itt-code}.
+\begin{mydef}[Intuitionistic Type Theory (ITT)]
+The syntax and reduction rules are shown in Figure \ref{fig:core-tt-syn}.
+The typing rules are presented piece by piece in the following sections.
+\end{mydef}
+
+\begin{figure}[t]
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \myb{x} \mysynsep
+                     \mytyp_{level} \mysynsep
+                     \myunit \mysynsep \mytt \mysynsep
+                     \myempty \mysynsep \myapp{\myabsurd{\mytmsyn}}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \mybool \mysynsep \mytrue \mysynsep \myfalse \mysynsep
+                     \myitee{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \myfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \myabss{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
+             &  |  & \myexi{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \mypairr{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \myapp{\myfst}{\mytmsyn} \mysynsep \myapp{\mysnd}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \myw{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \mytmsyn \mynode{\myb{x}}{\mytmsyn} \mytmsyn \\
+             &  |  & \myrec{\mytmsyn}{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+    level    & \in & \mathbb{N}
+  \end{array}
+  $
+}
+
+\mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+    \begin{tabular}{ccc}
+      $
+      \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+        \myitee{\mytrue &}{\myb{x}}{\myse{P}}{\mytmm}{\mytmn} & \myred & \mytmm \\
+        \myitee{\myfalse &}{\myb{x}}{\myse{P}}{\mytmm}{\mytmn} & \myred & \mytmn \\
+      \end{array}
+      $
+      &
+      $
+      \myapp{(\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}
+      $
+      &
+    $
+    \begin{array}{l@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+      \myapp{\myfst &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmm \\
+      \myapp{\mysnd &}{\mypair{\mytmm}{\mytmn}} & \myred & \mytmn
+    \end{array}
+    $
+    \end{tabular}
+
+    \myderivspp
+
+    $
+    \myrec{(\myse{s} \mynode{\myb{x}}{\myse{T}} \myse{f})}{\myb{y}}{\myse{P}}{\myse{p}} \myred
+    \myapp{\myapp{\myapp{\myse{p}}{\myse{s}}}{\myse{f}}}{(\myabss{\myb{t}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myse{s}}}{
+      \myrec{\myapp{\myse{f}}{\myb{t}}}{\myb{y}}{\myse{P}}{\mytmt}
+    })}
+    $
+}
+\caption{Syntax and reduction rules for our type theory.}
+\label{fig:core-tt-syn}
+\end{figure}
+
+\subsubsection{Types are terms, some terms are types}
+\label{sec:term-types}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\mytya \mydefeq \mytyb$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytyp_l}{\mytyp_{l + 1}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+The first thing to notice is that the barrier between values and types that we had
+in the STLC is gone: values can appear in types, and the two are treated
+uniformly in the syntax.
+
+While the usefulness of doing this will become clear soon, a consequence is
+that since types can be the result of computation, deciding type equality is
+not immediate as in the STLC.
+\begin{mydef}[Definitional equality]
+  We define \emph{definitional
+  equality}, $\mydefeq$, as the congruence relation extending
+$\myred$.  Moreover, when comparing terms syntactically we do it up to
+renaming of bound names ($\alpha$-renaming).
+\end{mydef}
+For example under this discipline we will find that
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myb{x}} \mydefeq \myabss{\myb{y}}{\mytya}{\myb{y}} \\
+  \myapp{(\myabss{\myb{f}}{\mytya \myarr \mytya}{\myb{f}})}{(\myabss{\myb{y}}{\mytya}{\myb{y}})} \mydefeq \myabss{\myb{quux}}{\mytya}{\myb{quux}}
+\end{array}
+\]
+Types that are definitionally equal can be used interchangeably.  Here
+the `conversion' rule is not syntax directed, but it is possible to
+employ $\myred$ to decide term equality in a systematic way, comparing
+terms by reducing them to their unique normal forms first; so that a separate conversion rule is not needed.
+Another thing to notice is that, considering the need to reduce terms to
+decide equality, for type checking to be decidable a dependently typed
+must be terminating and confluent; since every type needs to have a
+unique normal form for definitional equality to be decidable.
+
+Moreover, we specify a \emph{type hierarchy} to talk about `large'
+types: $\mytyp_0$ will be the type of types inhabited by data:
+$\mybool$, $\mynat$, $\mylist$, etc.  $\mytyp_1$ will be the type of
+$\mytyp_0$, and so on---for example we have $\mytrue : \mybool :
+\mytyp_0 : \mytyp_1 : \cdots$.  Each type `level' is often called a
+universe in the literature.  While it is possible to simplify things by
+having only one universe $\mytyp$ with $\mytyp : \mytyp$, this plan is
+inconsistent for much the same reason that impredicative na\"{\i}ve set
+theory is \citep{Hurkens1995}.  However various techniques can be
+employed to lift the burden of explicitly handling universes, as we will
+see in Section \ref{sec:term-hierarchy}.
+
+\subsubsection{Contexts}
+
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+  \mydesc{context validity:}{\myvalid{\myctx}}{
+      \begin{tabular}{cc}
+        \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
+        \UnaryInfC{$\myvalid{\myemptyctx}$}
+        \DisplayProof
+        &
+        \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+        \UnaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \myb{x} : \mytya}$}
+        \DisplayProof
+      \end{tabular}
+  }
+\end{minipage} 
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+  \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+      \AxiomC{$\myctx(x) = \mytya$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myb{x}}{\mytya}$}
+      \DisplayProof
+  }
+\end{minipage}
+\vspace{0.1cm}
+
+We need to refine the notion of context to make sure that every variable appearing
+is typed correctly, or that in other words each type appearing in the context is
+indeed a type and not a value.  In every other rule, if no premises are present,
+we assume the context in the conclusion to be valid.
+
+Then we can re-introduce the old rule to get the type of a variable for a
+context.
+
+\subsubsection{$\myunit$, $\myempty$}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myunit}{\mytyp_0}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytt}{\myunit}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myempty}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\myabsurd{\mytya}}{\mytmt}}{\mytya}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\myempty}{\mytyp_0}$}}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+Nothing surprising here: $\myunit$ and $\myempty$ are unchanged from the STLC,
+with the added rules to type $\myunit$ and $\myempty$ themselves, and to make
+sure that we are invoking $\myabsurd{}$ over a type.
+
+\subsubsection{$\mybool$, and dependent $\myfun{if}$}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+   \begin{tabular}{ccc}
+     \AxiomC{}
+     \UnaryInfC{$\myjud{\mybool}{\mytyp_0}$}
+     \DisplayProof
+     &
+     \AxiomC{}
+     \UnaryInfC{$\myjud{\mytrue}{\mybool}$}
+     \DisplayProof
+     &
+     \AxiomC{}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myfalse}{\mybool}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+    \myderivspp
+
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mybool}$}
+    \AxiomC{$\myjudd{\myctx : \mybool}{\mytya}{\mytyp_l}$}
+    \noLine
+    \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm}{\mysub{\mytya}{x}{\mytrue}}$ \hspace{0.7cm} $\myjud{\mytmn}{\mysub{\mytya}{x}{\myfalse}}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\myitee{\mytmt}{\myb{x}}{\mytya}{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytya}{\myb{x}}{\mytmt}}$}
+    \DisplayProof
+}
+
+With booleans we get the first taste of the `dependent' in `dependent
+types'.  While the two introduction rules for $\mytrue$ and $\myfalse$
+are not surprising, the rule for $\myfun{if}$ is.  In most
+strongly typed languages we expect the branches of an $\myfun{if}$
+statements to be of the same type, to preserve subject reduction, since
+execution could take both paths.  This is a pity, since the type system
+does not reflect the fact that in each branch we gain knowledge on the
+term we are branching on.  Which means that programs along the lines of
+\begin{Verbatim}
+if null xs then head xs else 0
+\end{Verbatim}
+are a necessary, well-typed, danger.
+
+However, in a more expressive system, we can do better: the branches'
+type can depend on the value of the scrutinised boolean.  This is what
+the typing rule expresses: the user provides a type $\mytya$ ranging
+over an $\myb{x}$ representing the boolean we are operating the
+$\myfun{if}$ switch with, and each branch is type checked against
+$\mytya$ with the updated knowledge of the value of $\myb{x}$.
+
+\subsubsection{$\myarr$, or dependent function}
+\label{sec:depprod}
+
+ \mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+     \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
+     \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
+     \BinaryInfC{$\myjud{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
+     \DisplayProof
+
+     \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytmt}{\mytyb}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmn}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+Dependent functions are one of the two key features that characterise
+dependent types---the other being dependent products.  With dependent
+functions, the result type can depend on the value of the argument.
+This feature, together with the fact that the result type might be a
+type itself, brings a lot of interesting possibilities.  In the
+introduction rule, the return type is type checked in a context with an
+abstracted variable of domain's type; and in the elimination rule the
+actual argument is substituted in the return type.  Keeping the
+correspondence with logic alive, dependent functions are much like
+universal quantifiers ($\forall$) in logic.
+
+For example, assuming that we have lists and natural numbers in our
+language, using dependent functions we can write functions of
+types
+\[
+\begin{array}{l}
+\myfun{length} : (\myb{A} {:} \mytyp_0) \myarr \myapp{\mylist}{\myb{A}} \myarr \mynat \\
+\myarg \myfun{$>$} \myarg : \mynat \myarr \mynat \myarr \mytyp_0 \\
+\myfun{head} : (\myb{A} {:} \mytyp_0) \myarr (\myb{l} {:} \myapp{\mylist}{\myb{A}})
+               \myarr \myapp{\myapp{\myfun{length}}{\myb{A}}}{\myb{l}} \mathrel{\myfun{$>$}} 0 \myarr
+               \myb{A}
+\end{array}
+\]
+
+\myfun{length} is the usual polymorphic length
+function. $\myarg\myfun{$>$}\myarg$ is a function that takes two
+naturals and returns a type: if the lhs is greater then the rhs,
+$\myunit$ is returned, $\myempty$ otherwise.  This way, we can express a
+`non-emptiness' condition in $\myfun{head}$, by including a proof that
+the length of the list argument is non-zero.  This allows us to rule out
+the empty list case by invoking \myfun{absurd} in \myfun{length}, so
+that we can safely return the first element.
+
+Finally, we need to make sure that the type hierarchy is respected, which
+is the reason why a type formed by $\myarr$ will live in the least upper
+bound of the levels of argument and return type.
+
+\subsubsection{$\myprod$, or dependent product}
+\label{sec:disju}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+     \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
+     \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
+     \BinaryInfC{$\myjud{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
+     \DisplayProof
+
+     \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmm}}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\mypairr{\mytmm}{\myb{x}}{\mytyb}{\mytmn}}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$--$}}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+      \UnaryInfC{$\hspace{0.7cm}\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}\hspace{0.7cm}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myapp{\myfst}{\mytmt}}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+If dependent functions are a generalisation of $\myarr$ in the STLC,
+dependent products are a generalisation of $\myprod$ in the STLC.  The
+improvement is that the second element's type can depend on the value of
+the first element.  The correspondence with logic is through the
+existential quantifier: $\exists x \in \mathbb{N}. even(x)$ can be
+expressed as $\myexi{\myb{x}}{\mynat}{\myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}}$.
+The first element will be a number, and the second evidence that the
+number is even.  This highlights the fact that we are working in a
+constructive logic: if we have an existence proof, we can always ask for
+a witness.  This means, for instance, that $\neg \forall \neg$ is not
+equivalent to $\exists$.  Additionally, we need to specify the type of
+the second element (ranging over the first element) explicitly when
+using $\mypair{\myarg}{\myarg}$.
+
+Another perhaps more `dependent' application of products, paired with
+$\mybool$, is to offer choice between different types.  For example we
+can easily recover disjunctions:
+\[
+\begin{array}{l}
+  \myarg\myfun{$\vee$}\myarg : \mytyp_0 \myarr \mytyp_0 \myarr \mytyp_0 \\
+  \myb{A} \mathrel{\myfun{$\vee$}} \myb{B} \mapsto \myexi{\myb{x}}{\mybool}{\myite{\myb{x}}{\myb{A}}{\myb{B}}} \\ \ \\
+  \myfun{case} : (\myb{A}\ \myb{B}\ \myb{C} {:} \mytyp_0) \myarr (\myb{A} \myarr \myb{C}) \myarr (\myb{B} \myarr \myb{C}) \myarr \myb{A} \mathrel{\myfun{$\vee$}} \myb{B} \myarr \myb{C} \\
+  \myfun{case} \myappsp \myb{A} \myappsp \myb{B} \myappsp \myb{C} \myappsp \myb{f} \myappsp \myb{g} \myappsp \myb{x} \mapsto \\
+  \myind{2} \myapp{(\myitee{\myapp{\myfst}{\myb{x}}}{\myb{b}}{(\myite{\myb{b}}{\myb{A}}{\myb{B}})}{\myb{f}}{\myb{g}})}{(\myapp{\mysnd}{\myb{x}})}
+\end{array}
+\]
+
+\subsubsection{$\mytyc{W}$, or well-order}
+\label{sec:well-order}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+  \begin{tabular}{cc}
+     \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_{l_1}}$}
+     \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp_{l_2}}$}
+     \BinaryInfC{$\myjud{\myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp_{l_1 \mylub l_2}}$}
+     \DisplayProof
+
+     &
+
+     \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+     \AxiomC{$\myjud{\mysynel{f}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmt} \myarr \myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+     \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt \mynode{\myb{x}}{\mytyb} \myse{f}}{\myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+     \DisplayProof
+   \end{tabular}
+
+     \myderivspp
+
+     \AxiomC{$\myjud{\myse{u}}{\myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}$}
+     \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{w} : \myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}{\myse{P}}{\mytyp_l}$}
+     \noLine
+     \BinaryInfC{$\myjud{\myse{p}}{
+       \myfora{\myb{s}}{\myse{S}}{\myfora{\myb{f}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myse{s}} \myarr \myw{\myb{x}}{\myse{S}}{\myse{T}}}{(\myfora{\myb{t}}{\mysub{\myse{T}}{\myb{x}}{\myb{s}}}{\mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{t}}}}) \myarr \mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myb{f}}}}
+     }$}
+     \UnaryInfC{$\myjud{\myrec{\myse{u}}{\myb{w}}{\myse{P}}{\myse{p}}}{\mysub{\myse{P}}{\myb{w}}{\myse{u}}}$}
+     \DisplayProof
+}
+
+Finally, the well-order type, or in short $\mytyc{W}$-type, which will
+let us represent inductive data in a general way.  We can form `nodes'
+of the shape \[\mytmt \mynode{\myb{x}}{\mytyb} \myse{f} :
+\myw{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}\] where $\mytmt$ is of type $\mytya$ and
+is the data present in the node, and $\myse{f}$ specifies a `child' of
+the node for each member of $\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmt}$.  The
+$\myfun{rec}\ \myfun{with}$ acts as an induction principle on
+$\mytyc{W}$, given a predicate and a function dealing with the inductive
+case---we will gain more intuition about inductive data in Section
+\ref{sec:user-type}.
+
+For example, if we want to form natural numbers, we can take
+\[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \mytyc{Tr} : \mybool \myarr \mytyp_0 \\
+    \mytyc{Tr} \myappsp \myb{b} \mapsto \myfun{if}\, \myb{b}\, \myfun{then}\, \myunit\, \myfun{else}\, \myempty \\
+    \ \\
+    \mynat : \mytyp_0 \\
+    \mynat \mapsto \myw{\myb{b}}{\mybool}{(\mytyc{Tr}\myappsp\myb{b})}
+  \end{array}
+\]
+Each node will contain a boolean.  If $\mytrue$, the number is non-zero,
+and we will have one child representing its predecessor, given that
+$\mytyc{Tr}$ will return $\myunit$.  If $\myfalse$, the number is zero,
+and we will have no predecessors (children), given the $\myempty$:
+\[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \mydc{zero} : \mynat \\
+    \mydc{zero} \mapsto \myfalse \mynodee (\myabs{\myb{x}}{\myabsurd{\mynat} \myappsp \myb{x}}) \\
+    \ \\
+    \mydc{suc} : \mynat \myarr \mynat \\
+    \mydc{suc}\myappsp \myb{x} \mapsto \mytrue \mynodee (\myabs{\myarg}{\myb{x}})
+  \end{array}
+\]
+And with a bit of effort, we can recover addition:
+\[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myfun{plus} : \mynat \myarr \mynat \myarr \mynat \\
+    \myfun{plus} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{y} \mapsto \\
+    \myind{2} \myfun{rec}\, \myb{x} / \myb{b}.\mynat \, \\
+    \myind{2} \myfun{with}\, \myabs{\myb{b}}{\\
+      \myind{2}\myind{2}\myfun{if}\, \myb{b} / \myb{b'}.((\mytyc{Tr} \myappsp \myb{b'} \myarr \mynat) \myarr (\mytyc{Tr} \myappsp \myb{b'} \myarr \mynat) \myarr \mynat) \\
+      \myind{2}\myind{2}\myfun{then}\,(\myabs{\myarg\, \myb{f}}{\mydc{suc}\myappsp (\myapp{\myb{f}}{\mytt})})\, \myfun{else}\, (\myabs{\myarg\, \myarg}{\myb{y}})}
+  \end{array}
+  \]
+  Note how we explicitly have to type the branches to make them match
+  with the definition of $\mynat$.  This gives a taste of the clumsiness
+  of $\mytyc{W}$-types but not the whole story.  Well-orders are
+  inadequate not only because they are verbose, but also because they
+  face deeper problems due to the weakness of the notion of equality
+  present in most type theories, which we will present in the next
+  section \citep{dybjer1997representing}.  The `better' equality we will
+  present in Section \ref{sec:ott} helps but does not fully resolve
+  these issues.\footnote{See \url{http://www.e-pig.org/epilogue/?p=324},
+    which concludes with `W-types are a powerful conceptual tool, but
+    they’re no basis for an implementation of recursive data types in
+    decidable type theories.'}  For this reasons \mytyc{W}-types have
+  remained nothing more than a reasoning tool, and practical systems
+  must implement more manageable ways to represent data.
+
+\section{The struggle for equality}
+\label{sec:equality}
+
+\epigraph{\emph{Half of my time spent doing research involves thinking up clever
+  schemes to avoid needing functional extensionality.}}{@larrytheliquid}
+
+In the previous section we learnt how a type checker for ITT needs
+a notion of \emph{definitional equality}.  Beyond this meta-theoretic
+notion, in this section we will explore the ways of expressing equality
+\emph{inside} the theory, as a reasoning tool available to the user.
+This area is the main concern of this thesis, and in general a very
+active research topic, since we do not have a fully satisfactory
+solution, yet.  As in the previous section, everything presented is
+formalised in Agda in Appendix \ref{app:agda-itt}.
+
+\subsection{Propositional equality}
+
+\begin{mydef}[Propositional equality] The syntax, reduction, and typing
+  rules for propositional equality and related constructs are defined
+  as:
+\end{mydef}
+\mynegder
+\noindent
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \cdots \\
+             &  |  & \mypeq \myappsp \mytmsyn \myappsp \mytmsyn \myappsp \mytmsyn \mysynsep
+                     \myapp{\myrefl}{\mytmsyn} \\
+             &  |  & \myjeq{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}
+  \end{array}
+  $
+}
+\end{minipage} 
+\begin{minipage}{0.5\textwidth}
+\mydesc{\phantom{y}reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+    $
+    \myjeq{\myse{P}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}{\mytmn} \myred \mytmn
+    $
+  \vspace{1.05cm}
+}
+\end{minipage}
+\mynegder
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+    \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytya}$}
+    \TrinaryInfC{$\myjud{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp  \mytmm \myappsp \mytmn}{\mytyp_l}$}
+    \DisplayProof
+
+    \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\begin{array}{c}\ \\\myjud{\mytmm}{\mytya}\hspace{1.1cm}\mytmm \mydefeq \mytmn\end{array}$}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\mytmm}}{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{c}
+          \myjud{\myse{P}}{\myfora{\myb{x}\ \myb{y}}{\mytya}{\myfora{q}{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{y}}{\mytyp_l}}} \\
+          \myjud{\myse{q}}{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn}\hspace{1.1cm}\myjud{\myse{p}}{\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmm}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}}
+        \end{array}
+        $}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myjeq{\myse{P}}{\myse{q}}{\myse{p}}}{\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmn}}{q}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+\ \\
+
+To express equality between two terms inside ITT, the obvious way to do
+so is to have equality to be a type.  Here we present what has survived
+as the dominating form of equality in systems based on ITT up since
+\cite{Martin-Lof1984} up to the present day.
+
+Our type former is $\mypeq$, which given a type relates equal terms of
+that type.  $\mypeq$ has one introduction rule, $\myrefl$, which
+introduces an equality between definitionally equal terms---a proof by
+reflexivity.
+
+Finally, we have one eliminator for $\mypeq$ , $\myjeqq$ (also known as
+`\myfun{J} axiom' in the literature).
+$\myjeq{\myse{P}}{\myse{q}}{\myse{p}}$ takes
+\begin{itemize}
+\item $\myse{P}$, a predicate working with two terms of a certain type (say
+  $\mytya$) and a proof of their equality;
+\item $\myse{q}$, a proof that two terms in $\mytya$ (say $\myse{m}$ and
+  $\myse{n}$) are equal;
+\item and $\myse{p}$, an inhabitant of $\myse{P}$ applied to $\myse{m}$
+  twice, plus the trivial proof by reflexivity showing that $\myse{m}$
+  is equal to itself.
+\end{itemize}
+Given these ingredients, $\myjeqq$ returns a member of $\myse{P}$
+applied to $\mytmm$, $\mytmn$, and $\myse{q}$.  In other words $\myjeqq$
+takes a witness that $\myse{P}$ works with \emph{definitionally equal}
+terms, and returns a witness of $\myse{P}$ working with
+\emph{propositionally equal} terms.  Given its reduction rules,
+invocations of $\myjeqq$ will vanish when the equality proofs will
+reduce to invocations to reflexivity, at which point the arguments must
+be definitionally equal, and thus the provided
+$\myapp{\myapp{\myapp{\myse{P}}{\mytmm}}{\mytmm}}{(\myapp{\myrefl}{\mytmm})}$
+can be returned.  This means that $\myjeqq$ will not compute with
+hypothetical proofs, which makes sense given that they might be false.
+
+While the $\myjeqq$ rule is slightly convoluted, we can derive many more
+`friendly' rules from it, for example a more obvious `substitution' rule, that
+replaces equal for equal in predicates:
+\[
+\begin{array}{l}
+\myfun{subst} : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myfora{\myb{P}}{\myb{A} \myarr \mytyp}{\myfora{\myb{x}\ \myb{y}}{\myb{A}}{\mypeq \myappsp \myb{A} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{y} \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{x}} \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{y}}}}} \\
+\myfun{subst}\myappsp \myb{A}\myappsp\myb{P}\myappsp\myb{x}\myappsp\myb{y}\myappsp\myb{q}\myappsp\myb{p} \mapsto
+  \myjeq{(\myabs{\myb{x}\ \myb{y}\ \myb{q}}{\myapp{\myb{P}}{\myb{y}}})}{\myb{p}}{\myb{q}}
+\end{array}
+\]
+Once we have $\myfun{subst}$, we can easily prove more familiar laws
+regarding equality, such as symmetry, transitivity, congruence laws,
+etc.\footnote{For definitions of these functions, refer to Appendix \ref{app:itt-code}.}
+
+\subsection{Common extensions}
+\label{sec:extensions}
+
+Our definitional and propositional equalities can be enhanced in various
+ways.  Obviously if we extend the definitional equality we are also
+automatically extend propositional equality, given how $\myrefl$ works.
+
+\subsubsection{$\eta$-expansion}
+\label{sec:eta-expand}
+
+A simple extension to our definitional equality is achieved by $\eta$-expansion.
+Given an abstract variable $\myb{f} : \mytya \myarr \mytyb$ the aim is
+to have that $\myb{f} \mydefeq
+\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}}$.  We can achieve
+this by `expanding' terms depending on their types, a process known as
+\emph{quotation}---a term borrowed from the practice of
+\emph{normalisation by evaluation}, where we embed terms in some host
+language with an existing notion of computation, and then reify them
+back into terms, which will `smooth out' differences like the one above
+\citep{Abel2007}.
+
+The same concept applies to $\myprod$, where we expand each inhabitant
+reconstructing it by getting its projections, so that $\myb{x}
+\mydefeq \mypair{\myfst \myappsp \myb{x}}{\mysnd \myappsp \myb{x}}$.
+Similarly, all one inhabitants of $\myunit$ and all zero inhabitants of
+$\myempty$ can be considered equal. Quotation can be performed in a
+type-directed way, as we will witness in Section \ref{sec:kant-irr}.
+
+\begin{mydef}[Congruence and $\eta$-laws]
+  To justify quotation in our type system we add a congruence law for
+  abstractions and a similar law for products, plus the fact that all
+  elements of $\myunit$ or $\myempty$ are equal.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{definitional equality:}{\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytmsyn}}{
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{y} : \mytya}{\myapp{\myse{f}}{\myb{x}} \mydefeq \myapp{\myse{g}}{\myb{x}}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myb{y}}}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\myse{f} \mydefeq \myse{g}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myjud{\mypair{\myapp{\myfst}{\mytmm}}{\myapp{\mysnd}{\mytmm}} \mydefeq \mypair{\myapp{\myfst}{\mytmn}}{\myapp{\mysnd}{\mytmn}}}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\myexi{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+  \begin{tabular}{cc}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\myunit}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myunit}$}
+  \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\myunit}$}
+  \DisplayProof
+  &
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\myempty}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\myempty}$}
+  \BinaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\myempty}$}
+  \DisplayProof
+  \end{tabular}
+}
+
+\subsubsection{Uniqueness of identity proofs}
+
+Another common but controversial addition to propositional equality is
+the $\myfun{K}$ axiom, which essentially states that all equality proofs
+are by reflexivity.
+
+\begin{mydef}[$\myfun{K}$ axiom]\end{mydef}
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytmsyn}}{
+  \AxiomC{$
+    \begin{array}{@{}c}
+      \myjud{\myse{P}}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp \myb{x}\myappsp \myb{x} \myarr \mytyp}} \\\
+      \myjud{\mytmt}{\mytya} \hspace{1cm}
+      \myjud{\myse{p}}{\myse{P} \myappsp \mytmt \myappsp (\myrefl \myappsp \mytmt)} \hspace{1cm}
+      \myjud{\myse{q}}{\mytmt \mypeq{\mytya} \mytmt}
+    \end{array}
+    $}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myfun{K} \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{t} \myappsp \myse{p} \myappsp \myse{q}}{\myse{P} \myappsp \mytmt \myappsp \myse{q}}$}
+  \DisplayProof
+}
+
+\cite{Hofmann1994} showed that $\myfun{K}$ is not derivable from
+$\myjeqq$, and \cite{McBride2004} showed that it is needed to implement
+`dependent pattern matching', as first proposed by \cite{Coquand1992}.\footnote{See Section \ref{sec:future-work} for more on dependent pattern matching.}
+Thus, $\myfun{K}$ is derivable in the systems that implement dependent
+pattern matching, such as Epigram and Agda; but for example not in Coq.
+
+$\myfun{K}$ is controversial mainly because it is at odds with
+equalities that include computational content, most notably Voevodsky's
+\emph{Univalent Foundations}, which feature a \emph{univalence} axiom
+that identifies isomorphisms between types with propositional equality.
+For example we would have two isomorphisms, and thus two equalities,
+between $\mybool$ and $\mybool$, corresponding to the two
+permutations---one is the identity, and one swaps the elements.  Given
+this, $\myfun{K}$ and univalence are inconsistent, and thus a form of
+dependent pattern matching that does not imply $\myfun{K}$ is subject of
+research.\footnote{More information about univalence can be found at
+  \url{http://www.math.ias.edu/~vladimir/Site3/Univalent_Foundations.html}.}
+
+\subsection{Limitations}
+
+Propositional equality as described is quite restricted when
+reasoning about equality beyond the term structure, which is what definitional
+equality gives us (extensions notwithstanding).
+
+\begin{mydef}[Extensional equality]
+Given two functions $\myse{f}$ and $\myse{g}$ of type $\mytya \myarr \mytyb$, they are are said to be \emph{extensionally equal} if
+\[ (\myb{x} {:} \mytya) \myarr \mypeq \myappsp \mytyb \myappsp (\myse{f} \myappsp \myb{x}) \myappsp (\myse{g} \myappsp \myb{x}) \]
+\end{mydef}
+
+The problem is best exemplified by \emph{function extensionality}.  In
+mathematics, we would expect to be able to treat functions that give
+equal output for equal input as equal.  When reasoning in a mechanised
+framework we ought to be able to do the same: in the end, without
+considering the operational behaviour, all functions equal extensionally
+are going to be replaceable with one another.
+
+However in ITT this is not the case, or in other words with the tools we have there is no closed term of type
+\[
+\myfun{ext} : \myfora{\myb{A}\ \myb{B}}{\mytyp}{\myfora{\myb{f}\ \myb{g}}{
+    \myb{A} \myarr \myb{B}}{
+        (\myfora{\myb{x}}{\myb{A}}{\mypeq \myappsp \myb{B} \myappsp (\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}) \myappsp (\myapp{\myb{g}}{\myb{x}})}) \myarr
+        \mypeq \myappsp (\myb{A} \myarr \myb{B}) \myappsp \myb{f} \myappsp \myb{g}
+    }
+}
+\]
+To see why this is the case, consider the functions
+\[\myabs{\myb{x}}{0 \mathrel{\myfun{$+$}} \myb{x}}$ and $\myabs{\myb{x}}{\myb{x} \mathrel{\myfun{$+$}} 0}\]
+where $\myfun{$+$}$ is defined by recursion on the first argument,
+gradually destructing it to build up successors of the second argument.
+The two functions are clearly extensionally equal, and we can in fact
+prove that
+\[
+\myfora{\myb{x}}{\mynat}{\mypeq \myappsp \mynat \myappsp (0 \mathrel{\myfun{$+$}} \myb{x}) \myappsp (\myb{x} \mathrel{\myfun{$+$}} 0)}
+\]
+By induction on $\mynat$ applied to $\myb{x}$.  However, the two
+functions are not definitionally equal, and thus we will not be able to get
+rid of the quantification.
+
+For the reasons given above, theories that offer a propositional equality
+similar to what we presented are called \emph{intensional}, as opposed
+to \emph{extensional}.  Most systems widely used today (such as Agda,
+Coq, and Epigram) are of the former kind.
+
+This is quite an annoyance that often makes reasoning awkward or
+impossible to execute.  For example, we might want to represent terms of
+some language in Agda and give their denotation by embedding them in
+Agda---if we had $\lambda$-terms, functions will be Agda functions,
+application will be Agda's function application, and so on.  Then we
+would like to perform optimisation passes on the terms, and verify that
+they are sound by proving that the denotation of the optimised version
+is equal to the denotation of the starting term.
+
+But if the embedding uses functions---and it probably will---we are
+stuck with an equality that identifies as equal only syntactically equal
+functions!  Since the point of optimising is about preserving the
+denotational but changing the operational behaviour of terms, our
+equality falls short of our needs.  Moreover, the problem extends to
+other fields beyond functions, such as bisimulation between processes
+specified by coinduction, or in general proving equivalences based on
+the behaviour of a term.
+
+\subsection{Equality reflection}
+
+One way to `solve' this problem is by identifying propositional equality
+with definitional equality.
+
+\begin{mydef}[Equality reflection]\end{mydef}
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+    \AxiomC{$\myjud{\myse{q}}{\mypeq \myappsp \mytya \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\mytmm \mydefeq \mytmn}{\mytya}$}
+    \DisplayProof
+}
+
+The \emph{equality reflection} rule is a very different rule from the
+ones we saw up to now: it links a typing judgement internal to the type
+theory to a meta-theoretic judgement that the type checker uses to work
+with terms.  It is easy to see the dangerous consequences that this
+causes:
+\begin{itemize}
+\item The rule is not syntax directed, and the type checker is
+  presumably expected to come up with equality proofs when needed.
+\item More worryingly, type checking becomes undecidable also because
+  computing under false assumptions becomes unsafe, since we derive any
+  equality proof and then use equality reflection and the conversion
+  rule to have terms of any type.
+\end{itemize}
+
+Given these facts theories employing equality reflection, like NuPRL
+\citep{NuPRL}, carry the derivations that gave rise to each typing judgement
+to keep the systems manageable.
+
+For all its faults, equality reflection does allow us to prove extensionality,
+using the extensions given in Section \ref{sec:extensions}.  Assuming that $\myctx$ contains
+\[\myb{A}, \myb{B} : \mytyp; \myb{f}, \myb{g} : \myb{A} \myarr \myb{B}; \myb{q} : \myfora{\myb{x}}{\myb{A}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mypeq{} \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}\]
+We can then derive
+\begin{prooftree}
+  \mysmall
+  \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \myb{A}}{\myb{q}}{\mypeq \myappsp \myb{A} \myappsp (\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}) \myappsp (\myapp{\myb{g}}{\myb{x}})}$}
+  \RightLabel{equality reflection}
+  \UnaryInfC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \myb{A}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}} \mydefeq \myapp{\myb{g}}{\myb{x}}}{\myb{B}}$}
+  \RightLabel{congruence for $\lambda$s}
+  \UnaryInfC{$\myjud{(\myabs{\myb{x}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}}) \mydefeq (\myabs{\myb{x}}{\myapp{\myb{g}}{\myb{x}}})}{\myb{A} \myarr \myb{B}}$}
+  \RightLabel{$\eta$-law for $\lambda$}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myb{f} \mydefeq \myb{g}}{\myb{A} \myarr \myb{B}}$}
+  \RightLabel{$\myrefl$}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\myb{f}}}{\mypeq \myappsp (\myb{A} \myarr \myb{B}) \myappsp \myb{f} \myappsp \myb{g}}$}
+\end{prooftree}
+For this reason, theories employing equality reflection are often
+grouped under the name of \emph{Extensional Type Theory} (ETT).  Now,
+the question is: do we need to give up well-behavedness of our theory to
+gain extensionality?
+
+\section{The observational approach}
+\label{sec:ott}
+
+A recent development by \citet{Altenkirch2007}, \emph{Observational Type
+  Theory} (OTT), promises to keep the well behavedness of ITT while
+being able to gain many useful equality proofs,\footnote{It is suspected
+  that OTT gains \emph{all} the equality proofs of ETT, but no proof
+  exists yet.} including function extensionality.  The main idea is have
+equalities to express structural properties of the equated terms,
+instead of blindly comparing the syntax structure.  In the case of
+functions, this will correspond to extensionality, in the case of
+products it will correspond to having equal projections, and so on.
+Moreover, we are given a way to \emph{coerce} values from $\mytya$ to
+$\mytyb$, if we can prove $\mytya$ equal to $\mytyb$, following similar
+principles to the ones described above.  Here we give an exposition
+which follows closely the original paper.
+
+\subsection{A simpler theory, a propositional fragment}
+
+\begin{mydef}[OTT's simple theory, with propositions]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+    $\mytyp_l$ is replaced by $\mytyp$. \\\ \\
+    $
+    \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+      \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myprdec{\myprsyn} \mysynsep
+                       \myITE{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+      \myprsyn & ::= & \mybot \mysynsep \mytop \mysynsep \myprsyn \myand \myprsyn
+      \mysynsep \myprfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\myprsyn}
+    \end{array}
+    $
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{reduction:}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+  $
+  \begin{array}{l@{}l@{\ }c@{\ }l}
+    \myITE{\mytrue  &}{\mytya}{\mytyb} & \myred & \mytya \\
+    \myITE{\myfalse &}{\mytya}{\mytyb} & \myred & \mytyb
+  \end{array}
+  $
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\myprdec{\myse{P}}}{\mytyp}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mybool}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp}$}
+    \TrinaryInfC{$\myjud{\myITE{\mytmt}{\mytya}{\mytyb}}{\mytyp}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytop}{\myprop}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\myse{Q}}{\myprop}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\myse{P} \myand \myse{Q}}{\myprop}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\myse{A}}{\mytyp}$}
+      \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\myse{P}}{\myprop}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}}{\myprop}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+Our foundation will be a type theory like the one of Section
+\ref{sec:itt}, with only one level: $\mytyp_0$.  In this context we will
+drop the $0$ and call $\mytyp_0$ $\mytyp$.  Moreover, since the old
+$\myfun{if}\myarg\myfun{then}\myarg\myfun{else}$ was able to return
+types thanks to the hierarchy (which is gone), we need to reintroduce an
+ad-hoc conditional for types, where the reduction rule is the obvious
+one.
+
+However, we have an addition: a universe of \emph{propositions},
+$\myprop$.\footnote{Note that we do not need syntax for the type of props, $\myprop$, since the user cannot abstract over them.  In fact, we do not not need syntax for $\mytyp$ either, for the same reason.}  $\myprop$ isolates a fragment of types at large, and
+indeed we can `inject' any $\myprop$ back in $\mytyp$ with $\myprdec{\myarg}$.
+\begin{mydef}[Proposition decoding]\ \end{mydef}
+\mydesc{proposition decoding:}{\myprdec{\mytmsyn} \myred \mytmsyn}{
+    \begin{tabular}{cc}
+    $
+    \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
+      \myprdec{\mybot} & \myred & \myempty \\
+      \myprdec{\mytop} & \myred & \myunit
+    \end{array}
+    $
+    &
+    $
+    \begin{array}{r@{ }c@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+      \myprdec{&\myse{P} \myand \myse{Q} &} & \myred & \myprdec{\myse{P}} \myprod \myprdec{\myse{Q}} \\
+      \myprdec{&\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}} &} & \myred &
+             \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myprdec{\myse{P}}}
+    \end{array}
+    $
+    \end{tabular}
+  } \\
+  Propositions are what we call the types of \emph{proofs}, or types
+  whose inhabitants contain no `data', much like $\myunit$.  Types of
+  these kind are called \emph{irrelevant}.  Irrelevance can be exploited
+  in various ways---we can identify all equivalent proportions as
+  definitionally equal equal, as we will see later; and erase all the top
+  level propositions when compiling.
+
+  Why did we choose what we have in $\myprop$?  Given the above
+  criteria, $\mytop$ obviously fits the bill, since it has one element.
+  A pair of propositions $\myse{P} \myand \myse{Q}$ still won't get us
+  data, since if they both have one element the only possible pair is
+  the one formed by said elements. Finally, if $\myse{P}$ is a
+  proposition and we have $\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}$, the
+  decoding will be a constant function for propositional content.  The
+  only threat is $\mybot$, by which we can fabricate anything we want:
+  however if we are consistent there will be no closed term of type
+  $\mybot$ at, which is enough regarding proof erasure and
+  term equality.
+
+  As an example of types that are \emph{not} propositional, consider
+  $\mydc{Bool}$eans, which are the quintessential `relevant' data, since
+  they are often used to decide the execution path of a program through
+  $\myfun{if}\myarg\myfun{then}\myarg\myfun{else}\myarg$ constructs.
+
+\subsection{Equality proofs}
+
+\begin{mydef}[Equality proofs and related operations]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+    $
+    \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+      \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep
+      \mycoee{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+      \mycohh{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+      \myprsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mytmsyn \myeq \mytmsyn \mysynsep
+      \myjm{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}
+    \end{array}
+    $
+}
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+    \BinaryInfC{$\myjud{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+    &
+  \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+  \BinaryInfC{$\myjud{\mycohh{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\mytmt}{\mytya}{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}}}$}
+  \DisplayProof
+
+  \end{tabular}
+}
+
+\mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{l}
+          \ \\
+          \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\myse{B}}{\mytyp}
+        \end{array}
+        $}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytya \myeq \mytyb}{\myprop}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{c}
+          \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}} \\
+          \myjud{\myse{B}}{\mytyp} \hspace{1cm} \myjud{\mytmn}{\myse{B}}
+        \end{array}
+        $}
+    \UnaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\myse{A}}{\mytmn}{\myse{B}}}{\myprop}$}
+    \DisplayProof
+
+    \end{tabular}
+}
+
+
+While isolating a propositional universe as presented can be a useful
+exercises on its own, what we are really after is a useful notion of
+equality.  In OTT we want to maintain that things judged to be equal are
+still always replaceable for one another with no additional
+changes. Note that this is not the same as saying that they are
+definitionally equal, since as we saw extensionally equal functions,
+while satisfying the above requirement, are not.
+
+Towards this goal we introduce two equality constructs in
+$\myprop$---the fact that they are in $\myprop$ indicates that they
+indeed have no computational content.  The first construct, $\myarg
+\myeq \myarg$, relates types, the second,
+$\myjm{\myarg}{\myarg}{\myarg}{\myarg}$, relates values.  The
+value-level equality is different from our old propositional equality:
+instead of ranging over only one type, we might form equalities between
+values of different types---the usefulness of this construct will be
+clear soon.  In the literature this equality is known as `heterogeneous'
+or `John Major', since
+
+\begin{quote}
+  John Major's `classless society' widened people's aspirations to
+  equality, but also the gap between rich and poor. After all, aspiring
+  to be equal to others than oneself is the politics of envy. In much
+  the same way, $\myjm{\myarg}{\myarg}{\myarg}{\myarg}$ forms equations
+  between members of any type, but they cannot be treated as equals (ie
+  substituted) unless they are of the same type. Just as before, each
+  thing is only equal to itself. \citep{McBride1999}.
+\end{quote}
+
+Correspondingly, at the term level, $\myfun{coe}$ (`coerce') lets us
+transport values between equal types; and $\myfun{coh}$ (`coherence')
+guarantees that $\myfun{coe}$ respects the value-level equality, or in
+other words that it really has no computational component.  If we
+transport $\mytmm : \mytya$ to $\mytmn : \mytyb$, $\mytmm$ and $\mytmn$
+will still be the same.
+
+Before introducing the core machinery of OTT work, let us distinguish
+between \emph{canonical} and \emph{neutral} terms and types.
+
+\begin{mydef}[Canonical and neutral terms and types]
+  In a type theory, \emph{neutral} terms are those formed by an
+  abstracted variable or by an eliminator (including function
+  application).  Everything else is \emph{canonical}.
+
+  In the current system, data constructors ($\mytt$, $\mytrue$,
+  $\myfalse$, $\myabss{\myb{x}}{\mytya}{\mytmt}$, ...) will be
+  canonical, the rest neutral.  Correspondingly, canonical types are
+  those arising from the ground types ($\myempty$, $\myunit$, $\mybool$)
+  and the three type formers ($\myarr$, $\myprod$, $\mytyc{W}$).
+  Neutral types are those formed by
+  $\myfun{If}\myarg\myfun{Then}\myarg\myfun{Else}\myarg$.
+\end{mydef}
+\begin{mydef}[Canonicity]
+  If in a system all canonical types are inhabited by canonical terms
+  the system is said to have the \emph{canonicity} property.
+\end{mydef}
+The current system, and well-behaved systems in general, has the
+canonicity property.  Another consequence of normalisation is that all
+closed terms will reduce to a canonical term.
+
+\subsubsection{Type equality, and coercions}
+
+The plan is to decompose type-level equalities between canonical types
+into decodable propositions containing equalities regarding the
+subtypes.  So if are equating two product types, the equality will
+reduce to two subequalities regarding the first and second type.  Then,
+we can \myfun{coe}rce to transport values between equal types.
+Following the subequalities, \myfun{coe} will proceed recursively on the
+subterms.
+
+This interplay between the canonicity of equated types, type equalities,
+and \myfun{coe}, ensures that invocations of $\myfun{coe}$ will vanish
+when we have evidence of the structural equality of the types we are
+transporting terms across.  If the type is neutral, the equality will
+not reduce and thus $\myfun{coe}$ will not reduce either.  If we come
+across an equality between different canonical types, then we reduce the
+equality to bottom, thus making sure that no such proof can exist, and
+providing an `escape hatch' in $\myfun{coe}$.
+
+\begin{figure}[t]
+
+\mydesc{equality reduction:}{\myprsyn \myred \myprsyn}{
+    $
+      \begin{array}{c@{\ }c@{\ }c@{\ }l}
+        \myempty & \myeq & \myempty & \myred \mytop \\
+        \myunit  & \myeq &  \myunit & \myred  \mytop \\
+        \mybool  & \myeq &  \mybool &   \myred  \mytop \\
+        \myexi{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myexi{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytya_2} & \myred \\
+        \multicolumn{4}{l}{
+          \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 \mytyb_1[\myb{x_1}] \myeq \mytyb_2[\myb{x_2}]}
+                  } \\
+      \myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2} & \myred \cdots \\
+      \myw{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1} & \myeq & \myw{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2} & \myred \cdots \\
+      \mytya & \myeq & \mytyb & \myred \mybot\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical.}
+      \end{array}
+    $
+}
+\myderivsp
+\mydesc{reduction}{\mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+  $
+  \begin{array}[t]{@{}l@{\ }l@{\ }l@{\ }l@{\ }l@{\ }c@{\ }l@{\ }}
+    \mycoe & \myempty & \myempty & \myse{Q} & \myse{t} & \myred & \myse{t} \\
+    \mycoe & \myunit  & \myunit  & \myse{Q} & \myse{t} & \myred & \mytt \\
+    \mycoe & \mybool  & \mybool  & \myse{Q} & \mytrue & \myred & \mytrue \\
+    \mycoe & \mybool  & \mybool  & \myse{Q} & \myfalse & \myred & \myfalse \\
+    \mycoe & (\myexi{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
+             (\myexi{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
+             \mytmt_1 & \myred & \\
+             \multicolumn{7}{l}{
+             \myind{2}\begin{array}[t]{l@{\ }l@{\ }c@{\ }l}
+               \mysyn{let} & \myb{\mytmm_1} & \mapsto & \myapp{\myfst}{\mytmt_1} : \mytya_1 \\
+                           & \myb{\mytmn_1} & \mapsto & \myapp{\mysnd}{\mytmt_1} : \mysub{\mytyb_1}{\myb{x_1}}{\myb{\mytmm_1}} \\
+                           & \myb{Q_A}      & \mapsto & \myapp{\myfst}{\myse{Q}} : \mytya_1 \myeq \mytya_2 \\
+                           & \myb{\mytmm_2} & \mapsto & \mycoee{\mytya_1}{\mytya_2}{\myb{Q_A}}{\myb{\mytmm_1}} : \mytya_2 \\
+                           & \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}}} \\
+                           & \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}} \\
+               \mysyn{in}  & \multicolumn{3}{@{}l}{\mypair{\myb{\mytmm_2}}{\myb{\mytmn_2}}}
+              \end{array}} \\
+
+    \mycoe & (\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
+             (\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
+             \mytmt & \myred &
+           \cdots \\
+
+    \mycoe & (\myw{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}) &
+             (\myw{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}) & \myse{Q} &
+             \mytmt & \myred &
+           \cdots \\
+
+    \mycoe & \mytya & \mytyb & \myse{Q} & \mytmt & \myred & \myapp{\myabsurd{\mytyb}}{\myse{Q}}\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical.}
+  \end{array}
+  $
+}
+\caption{Reducing type equalities, and using them when
+  $\myfun{coe}$rcing.}
+\label{fig:eqred}
+\end{figure}
+
+\begin{mydef}[Type equalities reduction, and \myfun{coe}rcions] Figure
+  \ref{fig:eqred} illustrates the rules to reduce equalities and to
+  coerce terms.  We use a $\mysyn{let}$ syntax for legibility.
+\end{mydef}
+For ground types, the proof is the trivial element, and \myfun{coe} is
+the identity.  For $\myunit$, we can do better: we return its only
+member without matching on the term.  For the three type binders the
+choices we make in the type equality are dictated by the desire of
+writing the $\myfun{coe}$ in a natural way.
+
+$\myprod$ is the easiest case: we decompose the proof into proofs that
+the first element's types are equal ($\mytya_1 \myeq \mytya_2$), and a
+proof that given equal values in the first element, the types of the
+second elements are equal too
+($\myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2}}
+  \myimpl \mytyb_1[\myb{x_1}] \myeq \mytyb_2[\myb{x_2}]}$).\footnote{We
+  are using $\myimpl$ to indicate a $\forall$ where we discard the
+  quantified value.  We write $\mytyb_1[\myb{x_1}]$ to indicate that the
+  $\myb{x_1}$ in $\mytyb_1$ is re-bound to the $\myb{x_1}$ quantified by
+  the $\forall$, and similarly for $\myb{x_2}$ and $\mytyb_2$.}  This
+also explains the need for heterogeneous equality, since in the second
+proof we need to equate terms of possibly different types.  In the
+respective $\myfun{coe}$ case, since the types are canonical, we know at
+this point that the proof of equality is a pair of the shape described
+above.  Thus, we can immediately coerce the first element of the pair
+using the first element of the proof, and then instantiate the second
+element of the proof with the two first elements and a proof by
+coherence of their equality, since we know that the types are equal.
+
+The cases for the other binders are omitted for brevity, but they follow
+the same principle with some twists to make $\myfun{coe}$ work with the
+generated proofs; the reader can refer to the paper for details.
+
+\subsubsection{$\myfun{coe}$, laziness, and $\myfun{coh}$erence}
+\label{sec:lazy}
+
+It is important to notice that the reduction rules for $\myfun{coe}$
+are never obstructed by the structure of the proofs.  With the exception
+of comparisons between different canonical types we never `pattern
+match' on the proof pairs, but always look at the projections.  This
+means that, as long as we are consistent, and thus as long as we don't
+have $\mybot$-inducing proofs, we can add propositional axioms for
+equality and $\myfun{coe}$ will still compute.  Thus, we can take
+$\myfun{coh}$ as axiomatic, and we can add back familiar useful equality
+rules:
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytmsyn}}{
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myrefl}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\mytmt}{\mytya}{\mytmt}{\mytya}}}$}
+  \DisplayProof
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp}$}
+  \AxiomC{$\myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp}$}
+  \BinaryInfC{$\myjud{\mytyc{R} \myappsp (\myb{x} {:} \mytya) \myappsp \mytyb}{\myfora{\myb{y}\, \myb{z}}{\mytya}{\myprdec{\myjm{\myb{y}}{\mytya}{\myb{z}}{\mytya} \myimpl \mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myb{y}} \myeq \mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\myb{z}}}}}$}
+  \DisplayProof
+}
+
+$\myrefl$ is the equivalent of the reflexivity rule in propositional
+equality, and $\mytyc{R}$ asserts that if we have a we have a $\mytyp$
+abstracting over a value we can substitute equal for equal---this lets
+us recover $\myfun{subst}$.  Note that while we need to provide ad-hoc
+rules in the restricted, non-hierarchical theory that we have, if our
+theory supports abstraction over $\mytyp$s we can easily add these
+axioms as top-level abstracted variables.
+
+\subsubsection{Value-level equality}
+
+\begin{mydef}[Value-level equality]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{equality reduction:}{\myprsyn \myred \myprsyn}{
+  $
+  \begin{array}{r@{ }c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }c@{\ }r@{}c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }l}
+    (&\mytmt_1 & : & \myempty&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myempty &) & \myred \mytop \\
+    (&\mytmt_1 & : & \myunit&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myunit&) & \myred \mytop \\
+    (&\mytrue & : & \mybool&) & \myeq & (&\mytrue & : & \mybool&) & \myred \mytop \\
+    (&\myfalse & : & \mybool&) & \myeq & (&\myfalse & : & \mybool&) & \myred \mytop \\
+    (&\mytrue & : & \mybool&) & \myeq & (&\myfalse & : & \mybool&) & \myred \mybot \\
+    (&\myfalse & : & \mybool&) & \myeq & (&\mytrue & : & \mybool&) & \myred \mybot \\
+    (&\mytmt_1 & : & \myexi{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \myexi{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}&) & \myred \\
+     & \multicolumn{11}{@{}l}{
+      \myind{2} \myjm{\myapp{\myfst}{\mytmt_1}}{\mytya_1}{\myapp{\myfst}{\mytmt_2}}{\mytya_2} \myand
+      \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}}}
+    } \\
+   (&\myse{f}_1 & : & \myfora{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}&) & \myeq & (&\myse{f}_2 & : & \myfora{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}&) & \myred \\
+     & \multicolumn{11}{@{}l}{
+       \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
+           \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
+           \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}]}
+         }}
+    } \\
+   (&\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 \\
+    (&\mytmt_1 & : & \mytya_1&) & \myeq & (&\mytmt_2 & : & \mytya_2 &) & \myred \mybot\ \text{if $\mytya_1$ and $\mytya_2$ are canonical.}
+  \end{array}
+  $
+}
+
+As with type-level equality, we want value-level equality to reduce
+based on the structure of the compared terms.  When matching
+propositional data, such as $\myempty$ and $\myunit$, we automatically
+return the trivial type, since if a type has zero or one members, all
+members will be equal.  When matching on data-bearing types, such as
+$\mybool$, we check that such data matches, and return bottom otherwise.
+When matching on records and functions, we rebuild the records to
+achieve $\eta$-expansion, and relate functions if they are extensionally
+equal---exactly what we wanted.  The case for \mytyc{W} is omitted but
+unsurprising, checking that equal data in the nodes will bring equal
+children.
+
+\subsection{Proof irrelevance and stuck coercions}
+\label{sec:ott-quot}
+
+The last effort is required to make sure that proofs (members of
+$\myprop$) are \emph{irrelevant}.  Since they are devoid of
+computational content, we would like to identify all equivalent
+propositions as the same, in a similar way as we identified all
+$\myempty$ and all $\myunit$ as the same in section
+\ref{sec:eta-expand}.
+
+Thus we will have a quotation that will not only perform
+$\eta$-expansion, but will also identify and mark proofs that could not
+be decoded (that is, equalities on neutral types).  Then, when
+comparing terms, marked proofs will be considered equal without
+analysing their contents, thus gaining irrelevance.
+
+Moreover we can safely advance `stuck' $\myfun{coe}$rcions between
+non-canonical but definitionally equal types.  Consider for example
+\[
+\mycoee{(\myITE{\myb{b}}{\mynat}{\mybool})}{(\myITE{\myb{b}}{\mynat}{\mybool})}{\myb{x}}
+\]
+Where $\myb{b}$ and $\myb{x}$ are abstracted variables.  This
+$\myfun{coe}$ will not advance, since the types are not canonical.
+However they are definitionally equal, and thus we can safely remove the
+coerce and return $\myb{x}$ as it is.
+
+\section{\mykant: the theory}
+\label{sec:kant-theory}
+
+\epigraph{\emph{The construction itself is an art, its application to the world an evil parasite.}}{Luitzen Egbertus Jan `Bertus' Brouwer}
+
+\mykant\ is an interactive theorem prover developed as part of this thesis.
+The plan is to present a core language which would be capable of serving as
+the basis for a more featureful system, while still presenting interesting
+features and more importantly observational equality.
+
+We will first present the features of the system, along with motivations
+and trade-offs for the design decisions made. Then we describe the
+implementation we have developed in Section \ref{sec:kant-practice}.
+For an overview of the features of \mykant, see
+Section \ref{sec:contributions}, here we present them one by one.  The
+exception is type holes, which we do not describe holes rigorously, but
+provide more information about them in Section \ref{sec:type-holes}.
+
+Note that in this section we will present \mykant\ terms in a fancy
+\LaTeX\ dress to keep up with the presentation, but every term, reduced
+to its concrete syntax (which we will present in Section
+\ref{sec:syntax}), is a valid \mykant\ term accepted by \mykant\ the
+software, and not only \mykant\ the theory.  Appendix
+\ref{app:kant-examples} displays most of the terms in this section in
+their concrete syntax.
+
+\subsection{Bidirectional type checking}
+
+We start by describing bidirectional type checking since it calls for
+fairly different typing rules that what we have seen up to now.  The
+idea is to have two kinds of terms: terms for which a type can always be
+inferred, and terms that need to be checked against a type.  A nice
+observation is that this duality is in correspondence with the notion of
+canonical and neutral terms: neutral terms
+(abstracted or defined variables, function application, record
+projections, primitive recursors, etc.) \emph{infer} types, canonical
+terms (abstractions, record/data types data constructors, etc.) need to
+be \emph{checked}.
+
+To introduce the concept and notation, we will revisit the STLC in a
+bidirectional style.  The presentation follows \cite{Loh2010}.  The
+syntax for our bidirectional STLC is the same as the untyped
+$\lambda$-calculus, but with an extra construct to annotate terms
+explicitly---this will be necessary when dealing with top-level
+canonical terms.  The types are the same as those found in the normal
+STLC.
+
+\begin{mydef}[Syntax for the annotated $\lambda$-calculus]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \myb{x} \mysynsep \myabs{\myb{x}}{\mytmsyn} \mysynsep (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \mysynsep (\mytmsyn : \mytysyn)
+  \end{array}
+  $
+}
+
+We will have two kinds of typing judgements: \emph{inference} and
+\emph{checking}.  $\myinf{\mytmt}{\mytya}$ indicates that $\mytmt$
+infers the type $\mytya$, while $\mychk{\mytmt}{\mytya}$ can be checked
+against type $\mytya$.  The arrows indicate the direction of the type
+checking---inference pushes types up, checking propagates types
+down.
+
+The type of variables in context is inferred.  The type of applications
+and annotated terms is inferred too, propagating types down the applied
+and annotated term, respectively.  Abstractions are checked.  Finally,
+we have a rule to check the type of an inferrable term.
+
+\begin{mydef}[Bidirectional type checking for the STLC]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{typing:}{\myctx \vdash \mytmsyn \Updownarrow \mytmsyn}{
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\myctx(x) = A$}
+    \UnaryInfC{$\myinf{\myb{x}}{A}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myjudd{\myctx;\myb{x} : A}{\mytmt}{\mytyb}$}
+    \UnaryInfC{$\mychk{\myabs{x}{\mytmt}}{(\myb{x} {:} \mytya) \myarr \mytyb}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+  \begin{tabular}{ccc}
+    \AxiomC{$\myinf{\mytmm}{\mytya \myarr \mytyb}$}
+    \AxiomC{$\mychk{\mytmn}{\mytya}$}
+    \BinaryInfC{$\myjud{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+    \UnaryInfC{$\myinf{\myann{\mytmt}{\mytya}}{\mytya}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytya}$}
+    \UnaryInfC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+}
+
+For example, if we wanted to type function composition (in this case for
+naturals), we would have to annotate the term:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \myfun{comp} :  (\mynat \myarr \mynat) \myarr (\mynat \myarr \mynat) \myarr \mynat \myarr \mynat \\
+  \myfun{comp} \myappsp \myb{f} \myappsp \myb{g} \myappsp \myb{x} \mapsto \myb{f}\myappsp(\myb{g}\myappsp\myb{x})
+\end{array}
+\]
+But we would not have to annotate functions passed to it, since the type would be propagated to the arguments:
+\[
+   \myfun{comp}\myappsp (\myabs{\myb{x}}{\myb{x} \mathrel{\myfun{$+$}} 3}) \myappsp (\myabs{\myb{x}}{\myb{x} \mathrel{\myfun{$*$}} 4}) \myappsp 42
+\]
+
+\subsection{Base terms and types}
+
+Let us begin by describing the primitives available without the user
+defining any data types, and without equality.  The way we handle
+variables and substitution is left unspecified, and explained in section
+\ref{sec:term-repr}, along with other implementation issues.  We are
+also going to give an account of the implicit type hierarchy separately
+in Section \ref{sec:term-hierarchy}, so as not to clutter derivation
+rules too much, and just treat types as impredicative for the time
+being.
+
+\begin{mydef}[Syntax for base types in \mykant]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \mynamesyn \mysynsep \mytyp \\
+    &  |  & \myfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+    \myabs{\myb{x}}{\mytmsyn} \mysynsep
+    (\myapp{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \mysynsep
+    (\myann{\mytmsyn}{\mytmsyn}) \\
+    \mynamesyn & ::= & \myb{x} \mysynsep \myfun{f}
+  \end{array}
+  $
+}
+
+The syntax for our calculus includes just two basic constructs:
+abstractions and $\mytyp$s.  Everything else will be user-defined.
+Since we let the user define values too, we will need a context capable
+of carrying the body of variables along with their type.
+
+\begin{mydef}[Context validity]
+Bound names and defined names are treated separately in the syntax, and
+while both can be associated to a type in the context, only defined
+names can be associated with a body.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{context validity:}{\myvalid{\myctx}}{
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}}
+      \UnaryInfC{$\myvalid{\myemptyctx}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytya}{\mytyp}$}
+      \AxiomC{$\mynamesyn \not\in \myctx$}
+      \BinaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \mynamesyn : \mytya}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
+      \BinaryInfC{$\myvalid{\myctx ; \myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+Now we can present the reduction rules, which are unsurprising.  We have
+the usual function application ($\beta$-reduction), but also a rule to
+replace names with their bodies ($\delta$-reduction), and one to discard
+type annotations.  For this reason reduction is done in-context, as
+opposed to what we have seen in the past.
+
+\begin{mydef}[Reduction rules for base types in \mykant]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{reduction:}{\myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myb{x} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}}
+      \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myapp{(\myabs{\myb{x}}{\mytmm})}{\mytmn}
+                  \myred \mysub{\mytmm}{\myb{x}}{\mytmn}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}
+      \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myfun{f} \myred \mytmt$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{\phantom{$\myb{x} \mapsto \mytmt : \mytya \in \myctx$}}
+      \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myann{\mytmm}{\mytya} \myred \mytmm$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+We can now give types to our terms.  Although we include the usual
+conversion rule, we defer a detailed account of definitional equality to
+Section \ref{sec:kant-irr}.
+
+\begin{mydef}[Bidirectional type checking for base types in \mykant]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{typing:}{\myctx \vdash \mytmsyn \Updownarrow \mytmsyn}{   
+    \begin{tabular}{cccc}
+      \AxiomC{$\myse{name} : A \in \myctx$}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\myse{name}}{A}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myfun{f} \mapsto \mytmt : A \in \myctx$}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{f}}{A}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\myann{\mytmt}{\mytya}}{\mytya}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya \mydefeq \mytyb$}
+      \BinaryInfC{$\mychk{\mytmt}{\mytyb}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+    \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+
+      \AxiomC{\phantom{$\mychkk{\myctx; \myb{x}: \mytya}{\mytmt}{\mytyb}$}}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\mytyp}{\mytyp}$}
+      \DisplayProof
+      &
+    \AxiomC{$\mychk{\mytya}{\mytyp}$}
+    \AxiomC{$\mychkk{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\mytyb}{\mytyp}$}
+    \BinaryInfC{$\myinf{(\myb{x} {:} \mytya) \myarr \mytyb}{\mytyp}$}
+    \DisplayProof
+
+    \end{tabular}
+
+
+    \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\myinf{\mytmm}{\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}}$}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmn}{\mytya}$}
+      \BinaryInfC{$\myinf{\myapp{\mytmm}{\mytmn}}{\mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmn}}$}
+      \DisplayProof
+
+      &
+
+      \AxiomC{$\mychkk{\myctx; \myb{x}: \mytya}{\mytmt}{\mytyb}$}
+      \UnaryInfC{$\mychk{\myabs{\myb{x}}{\mytmt}}{\myfora{\myb{x}}{\mytyb}{\mytyb}}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+}
+
+\subsection{Elaboration}
+
+As we mentioned, $\mykant$\ allows the user to define not only values
+but also custom data types and records.  \emph{Elaboration} consists of
+turning these declarations into workable syntax, types, and reduction
+rules.  The treatment of custom types in $\mykant$\ is heavily inspired
+by McBride's and McKinna's early work on Epigram \citep{McBride2004},
+although with some differences.
+
+\subsubsection{Term vectors, telescopes, and assorted notation}
+
+\begin{mydef}[Term vector]
+  A \emph{term vector} is a series of terms.  The empty vector is
+  represented by $\myemptyctx$, and a new element is added with
+  $\myarg;\myarg$, similarly to contexts---$\vec{t};\mytmm$.
+\end{mydef}
+
+We denote term vectors with the usual arrow notation,
+e.g. $\vec{\mytmt}$, $\vec{\mytmt};\mytmm$, etc.  We often use term
+vectors to refer to a series of term applied to another. For example
+$\mytyc{D} \myappsp \vec{A}$ is a shorthand for $\mytyc{D} \myappsp
+\mytya_1 \cdots \mytya_n$, for some $n$.  $n$ is consistently used to
+refer to the length of such vectors, and $i$ to refer to an index such
+that $1 \le i \le n$.
+
+\begin{mydef}[Telescope]
+  A \emph{telescope} is a series of typed bindings.  The empty telescope
+  is represented by $\myemptyctx$, and a binding is added via
+  $\myarg;\myarg$.
+\end{mydef}
+
+To present the elaboration and operations on user defined data types, we
+frequently make use what \cite{Bruijn91} called \emph{telescopes}, a
+construct that will prove useful when dealing with the types of type and
+data constructors.  We refer to telescopes with $\mytele$, $\mytele'$,
+$\mytele_i$, etc.  If $\mytele$ refers to a telescope, $\mytelee$ refers
+to the term vector made up of all the variables bound by $\mytele$.
+$\mytele \myarr \mytya$ refers to the type made by turning the telescope
+into a series of $\myarr$.  For example we have that
+\[
+   (\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} : \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}) \myarr \mynat =
+   (\myb{x} {:} \mynat) \myarr (\myb{p} : \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}) \myarr \mynat
+\]
+
+We make use of various operations to manipulate telescopes:
+\begin{itemize}
+\item $\myhead(\mytele)$ refers to the first type appearing in
+  $\mytele$: $\myhead((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
+  \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}})) = \mynat$.  Similarly,
+  $\myix_i(\mytele)$ refers to the $i^{th}$ type in a telescope
+  (1-indexed).
+\item $\mytake_i(\mytele)$ refers to the telescope created by taking the
+  first $i$ elements of $\mytele$:  $\mytake_1((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
+  \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}})) = (\myb{x} {:} \mynat)$.
+\item $\mytele \vec{A}$ refers to the telescope made by `applying' the
+  terms in $\vec{A}$ on $\mytele$: $((\myb{x} {:} \mynat); (\myb{p} :
+  \myapp{\myfun{even}}{\myb{x}}))42 = (\myb{p} :
+  \myapp{\myfun{even}}{42})$.
+\end{itemize}
+
+Additionally, when presenting syntax elaboration, We use $\mytmsyn^n$ to
+indicate a term vector composed of $n$ elements.  When clear from the
+context, we use term vectors to signify their length,
+e.g. $\mytmsyn^{\mytele}$, or $1 \le i \le \mytele$.
+
+\subsubsection{Declarations syntax}
+
+\begin{mydef}[Syntax of declarations in \mykant]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+      \mydeclsyn & ::= & \myval{\myb{x}}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+                 &  |  & \mypost{\myb{x}}{\mytmsyn} \\
+                 &  |  & \myadt{\mytyc{D}}{\myappsp \mytelesyn}{}{\mydc{c} : \mytelesyn\ |\ \cdots } \\
+                 &  |  & \myreco{\mytyc{D}}{\myappsp \mytelesyn}{}{\myfun{f} : \mytmsyn,\ \cdots } \\
+
+      \mytelesyn & ::= & \myemptytele \mysynsep \mytelesyn \mycc (\myb{x} {:} \mytmsyn) \\
+      \mynamesyn & ::= & \cdots \mysynsep \mytyc{D} \mysynsep \mytyc{D}.\mydc{c} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{f}
+  \end{array}
+  $
+}
+In \mykant\ we have four kind of declarations:
+
+\begin{description}
+\item[Defined value] A variable, together with a type and a body.
+\item[Abstract variable] An abstract variable, with a type but no body.
+\item[Inductive data] A \emph{data type}, with a \emph{type constructor}
+  (denoted in blue, capitalised, sans serif: $\mytyc{D}$) various
+  \emph{data constructors} (denoted in red, lowercase, sans serif:
+  $\mydc{c}$), quite similar to what we find in Haskell.  A primitive
+  \emph{eliminator} (or \emph{destructor}, or \emph{recursor}; denoted
+  by green, lowercase, roman: \myfun{elim}) will be used to compute with
+  each data type.
+\item[Record] A \emph{record}, which like data types consists of a type
+  constructor but only one data constructor.  The user can also define
+  various \emph{fields}, with no recursive occurrences of the type.  The
+  functions extracting the fields' values from an instance of a record
+  are called \emph{projections} (denoted in the same way as destructors).
+\end{description}
+
+Elaborating defined variables consists of type checking the body against
+the given type, and updating the context to contain the new binding.
+Elaborating abstract variables and abstract variables consists of type
+checking the type, and updating the context with a new typed variable.
+
+\begin{mydef}[Elaboration of defined and abstract variables]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
+      \BinaryInfC{
+        $\myctx \myelabt \myval{\myfun{f}}{\mytya}{\mytmt} \ \ \myelabf\ \  \myctx; \myfun{f} \mapsto \mytmt : \mytya$
+      }
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytya}{\mytyp}$}
+      \AxiomC{$\myfun{f} \not\in \myctx$}
+      \BinaryInfC{
+        $
+          \myctx \myelabt \mypost{\myfun{f}}{\mytya}
+          \ \ \myelabf\ \  \myctx; \myfun{f} : \mytya
+        $
+      }
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+\subsubsection{User defined types}
+\label{sec:user-type}
+
+Elaborating user defined types is the real effort.  First, we will
+explain what we can define, with some examples.
+
+\begin{description}
+\item[Natural numbers] To define natural numbers, we create a data type
+  with two constructors: one with zero arguments ($\mydc{zero}$) and one
+  with one recursive argument ($\mydc{suc}$):
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myadt{\mynat}{ }{ }{
+      \mydc{zero} \mydcsep \mydc{suc} \myappsp \mynat
+    }
+  \end{array}
+  \]
+  This is very similar to what we would write in Haskell:
+  \begin{Verbatim}
+data Nat = Zero | Suc Nat
+  \end{Verbatim}
+  Once the data type is defined, $\mykant$\ will generate syntactic
+  constructs for the type and data constructors, so that we will have
+  \begin{center}
+    \mysmall
+    \begin{tabular}{ccc}
+      \AxiomC{\phantom{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\mynat}{\mytyp}$}
+      \DisplayProof
+    &
+      \AxiomC{\phantom{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\mytyc{\mynat}.\mydc{zero}}{\mynat}$}
+      \DisplayProof
+    &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\mytyc{\mynat}.\mydc{suc} \myappsp \mytmt}{\mynat}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+  While in Haskell (or indeed in Agda or Coq) data constructors are
+  treated the same way as functions, in $\mykant$\ they are syntax, so
+  for example using $\mytyc{\mynat}.\mydc{suc}$ on its own will give a
+  syntax error.  This is necessary so that we can easily infer the type
+  of polymorphic data constructors, as we will see later.
+
+  Moreover, each data constructor is prefixed by the type constructor
+  name, since we need to retrieve the type constructor of a data
+  constructor when type checking.  This measure aids in the presentation
+  of the theory but it is not needed in the implementation, where
+  we can have a dictionary to look up the type constructor corresponding
+  to each data constructor.  When using data constructors in examples I
+  will omit the type constructor prefix for brevity, in this case
+  writing $\mydc{zero}$ instead of $\mynat.\mydc{zero}$ and $\mydc{suc}$ instead of
+  $\mynat.\mydc{suc}$.
+
+  Along with user defined constructors, $\mykant$\ automatically
+  generates an \emph{eliminator}, or \emph{destructor}, to compute with
+  natural numbers: If we have $\mytmt : \mynat$, we can destruct
+  $\mytmt$ using the generated eliminator `$\mynat.\myfun{elim}$':
+  \begin{prooftree}
+    \mysmall
+    \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mynat}$}
+    \UnaryInfC{$
+      \myinf{\mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{
+        \begin{array}{@{}l}
+          \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}}
+          \end{array}
+        }$}
+  \end{prooftree}
+  $\mynat.\myfun{elim}$ corresponds to the induction principle for
+  natural numbers: if we have a predicate on numbers ($\myb{P}$), and we
+  know that predicate holds for the base case
+  ($\myapp{\myb{P}}{\mydc{zero}}$) and for each inductive step
+  ($\myfora{\myb{x}}{\mynat}{\myapp{\myb{P}}{\myb{x}} \myarr
+    \myapp{\myb{P}}{(\myapp{\mydc{suc}}{\myb{x}})}}$), then $\myb{P}$
+  holds for any number.  As with the data constructors, we require the
+  eliminator to be applied to the `destructed' element.
+
+  While the induction principle is usually seen as a mean to prove
+  properties about numbers, in the intuitionistic setting it is also a
+  mean to compute.  In this specific case $\mynat.\myfun{elim}$
+  returns the base case if the provided number is $\mydc{zero}$, and
+  recursively applies the inductive step if the number is a
+  $\mydc{suc}$cessor:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l@{}l}
+    \mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp \mydc{zero} & \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps} \myred \myse{pz} \\
+    \mytyc{\mynat}.\myfun{elim} \myappsp (\mydc{suc} \myappsp \mytmt) & \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps} \myred \myse{ps} \myappsp \mytmt \myappsp (\mynat.\myfun{elim} \myappsp \mytmt \myappsp \myse{P} \myappsp \myse{pz} \myappsp \myse{ps})
+  \end{array}
+  \]
+  The Haskell equivalent would be
+  \begin{Verbatim}
+elim :: Nat -> a -> (Nat -> a -> a) -> a
+elim Zero    pz ps = pz
+elim (Suc n) pz ps = ps n (elim n pz ps)
+\end{Verbatim}
+Which buys us the computational behaviour, but not the reasoning power,
+since we cannot express the notion of a predicate depending on
+$\mynat$---the type system is far too weak.
+
+\item[Binary trees] Now for a polymorphic data type: binary trees, since
+  lists are too similar to natural numbers to be interesting.
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myadt{\mytree}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp)}{ }{
+      \mydc{leaf} \mydcsep \mydc{node} \myappsp (\myapp{\mytree}{\myb{A}}) \myappsp \myb{A} \myappsp (\myapp{\mytree}{\myb{A}})
+    }
+  \end{array}
+  \]
+  Now the purpose of `constructors as syntax' can be explained: what would
+  the type of $\mydc{leaf}$ be?  If we were to treat it as a `normal'
+  term, we would have to specify the type parameter of the tree each
+  time the constructor is applied:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l@{\ }l}
+    \mydc{leaf} & : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myapp{\mytree}{\myb{A}}} \\
+    \mydc{node} & : \myfora{\myb{A}}{\mytyp}{\myapp{\mytree}{\myb{A}} \myarr \myb{A} \myarr \myapp{\mytree}{\myb{A}} \myarr \myapp{\mytree}{\myb{A}}}
+  \end{array}
+  \]
+  The problem with this approach is that creating terms is incredibly
+  verbose and dull, since we would need to specify the type parameter of
+  $\mytyc{Tree}$ each time.  For example if we wished to create a
+  $\mytree \myappsp \mynat$ with two nodes and three leaves, we would
+  write
+  \[
+  \mydc{node} \myappsp \mynat \myappsp (\mydc{node} \myappsp \mynat \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat) \myappsp (\myapp{\mydc{suc}}{\mydc{zero}}) \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat)) \myappsp \mydc{zero} \myappsp (\mydc{leaf} \myappsp \mynat)
+  \]
+  The redundancy of $\mynat$s is quite irritating.  Instead, if we treat
+  constructors as syntactic elements, we can `extract' the type of the
+  parameter from the type that the term gets checked against, much like
+  what we do to type abstractions:
+  \begin{center}
+    \mysmall
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytya}{\mytyp}$}
+      \UnaryInfC{$\mychk{\mydc{leaf}}{\myapp{\mytree}{\mytya}}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytree \myappsp \mytya}$}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytree \myappsp \mytya}$}
+      \TrinaryInfC{$\mychk{\mydc{node} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmt \myappsp \mytmn}{\mytree \myappsp \mytya}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+  Which enables us to write, much more concisely
+  \[
+  \mydc{node} \myappsp (\mydc{node} \myappsp \mydc{leaf} \myappsp (\myapp{\mydc{suc}}{\mydc{zero}}) \myappsp \mydc{leaf}) \myappsp \mydc{zero} \myappsp \mydc{leaf} : \myapp{\mytree}{\mynat}
+  \]
+  We gain an annotation, but we lose the myriad of types applied to the
+  constructors.  Conversely, with the eliminator for $\mytree$, we can
+  infer the type of the arguments given the type of the destructed:
+  \begin{prooftree}
+    \small
+    \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\myapp{\mytree}{\mytya}}$}
+    \UnaryInfC{$
+      \myinf{\mytree.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{
+        \begin{array}{@{}l}
+          (\myb{P} {:} \myapp{\mytree}{\mytya} \myarr \mytyp) \myarr \\
+          \myapp{\myb{P}}{\mydc{leaf}} \myarr \\
+          ((\myb{l} {:} \myapp{\mytree}{\mytya}) (\myb{x} {:} \mytya) (\myb{r} {:} \myapp{\mytree}{\mytya}) \myarr \myapp{\myb{P}}{\myb{l}} \myarr
+          \myapp{\myb{P}}{\myb{r}} \myarr \myb{P} \myappsp (\mydc{node} \myappsp \myb{l} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{r})) \myarr \\
+          \myapp{\myb{P}}{\mytmt}
+        \end{array}
+      }
+      $}
+  \end{prooftree}
+  As expected, the eliminator embodies structural induction on trees.
+  We have a base case for $\myb{P} \myappsp \mydc{leaf}$, and an
+  inductive step that given two subtrees and the predicate applied to
+  them needs to return the predicate applied to the tree formed by a
+  node with the two subtrees as children.
+
+\item[Empty type] We have presented types that have at least one
+  constructors, but nothing prevents us from defining types with
+  \emph{no} constructors:
+  \[\myadt{\mytyc{Empty}}{ }{ }{ }\]
+  What shall the `induction principle' on $\mytyc{Empty}$ be?  Does it
+  even make sense to talk about induction on $\mytyc{Empty}$?
+  $\mykant$\ does not care, and generates an eliminator with no `cases':
+  \begin{prooftree}
+    \mysmall
+    \AxiomC{$\myinf{\mytmt}{\mytyc{Empty}}$}
+    \UnaryInfC{$\myinf{\myempty.\myfun{elim} \myappsp \mytmt}{(\myb{P} {:} \mytmt \myarr \mytyp) \myarr \myapp{\myb{P}}{\mytmt}}$}
+  \end{prooftree}
+  which lets us write the $\myfun{absurd}$ that we know and love:
+  \[
+  \begin{array}{l@{}}
+    \myfun{absurd} : (\myb{A} {:} \mytyp) \myarr \myempty \myarr \myb{A} \\
+    \myfun{absurd}\myappsp \myb{A} \myappsp \myb{x} \mapsto \myempty.\myfun{elim} \myappsp \myb{x} \myappsp (\myabs{\myarg}{\myb{A}})
+  \end{array}
+  \]
+
+\item[Ordered lists] Up to this point, the examples shown are nothing
+  new to the \{Haskell, SML, OCaml, functional\} programmer.  However
+  dependent types let us express much more than that.  A useful example
+  is the type of ordered lists. There are many ways to define such a
+  thing, but we will define ours to store the bounds of the list, making
+  sure that $\mydc{cons}$ing respects that.
+
+  First, using $\myunit$ and $\myempty$, we define a type expressing the
+  ordering on natural numbers, $\myfun{le}$---`less or equal'.
+  $\myfun{le}\myappsp \mytmm \myappsp \mytmn$ will be inhabited only if
+  $\mytmm \le \mytmn$:
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+      \myfun{le} : \mynat \myarr \mynat \myarr \mytyp \\
+      \myfun{le} \myappsp \myb{n} \mapsto \\
+          \myind{2} \mynat.\myfun{elim} \\
+            \myind{2}\myind{2} \myb{n} \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\mynat \myarr \mytyp}) \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\myunit}) \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myb{n}\, \myb{f}\, \myb{m}}{
+              \mynat.\myfun{elim} \myappsp \myb{m} \myappsp (\myabs{\myarg}{\mytyp}) \myappsp \myempty \myappsp (\myabs{\myb{m'}\, \myarg}{\myapp{\myb{f}}{\myb{m'}}})
+                              })
+    \end{array}
+    \]
+  We return $\myunit$ if the scrutinised is $\mydc{zero}$ (every
+  number in less or equal than zero), $\myempty$ if the first number is
+  a $\mydc{suc}$cessor and the second a $\mydc{zero}$, and we recurse if
+  they are both successors.  Since we want the list to have possibly
+  `open' bounds, for example for empty lists, we create a type for
+  `lifted' naturals with a bottom ($\le$ everything but itself) and top
+  ($\ge$ everything but itself) elements, along with an associated comparison
+  function:
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+    \myadt{\mytyc{Lift}}{ }{ }{\mydc{bot} \mydcsep \mydc{lift} \myappsp \mynat \mydcsep \mydc{top}}\\
+    \myfun{le'} : \mytyc{Lift} \myarr \mytyc{Lift} \myarr \mytyp\\
+    \myfun{le'} \myappsp \myb{l_1} \mapsto \\
+          \myind{2} \mytyc{Lift}.\myfun{elim} \\
+            \myind{2}\myind{2} \myb{l_1} \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\mytyc{Lift} \myarr \mytyp}) \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myarg}{\myunit}) \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myb{n_1}\, \myb{l_2}}{
+              \mytyc{Lift}.\myfun{elim} \myappsp \myb{l_2} \myappsp (\myabs{\myarg}{\mytyp}) \myappsp \myempty \myappsp (\myabs{\myb{n_2}}{\myfun{le} \myappsp \myb{n_1} \myappsp \myb{n_2}}) \myappsp \myunit
+            }) \\
+            \myind{2}\myind{2} (\myabs{\myb{l_2}}{
+              \mytyc{Lift}.\myfun{elim} \myappsp \myb{l_2} \myappsp (\myabs{\myarg}{\mytyp}) \myappsp \myempty \myappsp (\myabs{\myarg}{\myempty}) \myappsp \myunit
+            })
+    \end{array}
+    \]
+    Finally, we can define a type of ordered lists.  The type is
+    parametrised over two \emph{values} representing the lower and upper
+    bounds of the elements, as opposed to the \emph{type} parameters
+    that we are used to in Haskell or similar languages.  An empty
+    list will have to have evidence that the bounds are ordered, and
+    each time we add an element we require the list to have a matching
+    lower bound:
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+      \myadt{\mytyc{OList}}{\myappsp (\myb{low}\ \myb{upp} {:} \mytyc{Lift})}{\\ \myind{2}}{
+          \mydc{nil} \myappsp (\myfun{le'} \myappsp \myb{low} \myappsp \myb{upp}) \mydcsep \mydc{cons} \myappsp (\myb{n} {:} \mynat) \myappsp (\mytyc{OList} \myappsp (\myfun{lift} \myappsp \myb{n}) \myappsp \myb{upp}) \myappsp (\myfun{le'} \myappsp \myb{low} \myappsp (\myfun{lift} \myappsp \myb{n})
+        }
+    \end{array}
+  \]
+  Note that in the $\mydc{cons}$ constructor we quantify over the first
+  argument, which will determine the type of the following
+  arguments---again something we cannot do in systems like Haskell.  If
+  we want we can then employ this structure to write and prove correct
+  various sorting algorithms.\footnote{See this presentation by Conor
+    McBride:
+    \url{https://personal.cis.strath.ac.uk/conor.mcbride/Pivotal.pdf},
+    and this blog post by the author:
+    \url{http://mazzo.li/posts/AgdaSort.html}.}
+
+\item[Dependent products] Apart from $\mysyn{data}$, $\mykant$\ offers
+  us another way to define types: $\mysyn{record}$.  A record is a
+  data type with one constructor and `projections' to extract specific
+  fields of the said constructor.
+
+  For example, we can recover dependent products:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myreco{\mytyc{Prod}}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp) \myappsp (\myb{B} {:} \myb{A} \myarr \mytyp)}{\\ \myind{2}}{\myfst : \myb{A}, \mysnd : \myapp{\myb{B}}{\myb{fst}}}
+  \end{array}
+  \]
+  Here $\myfst$ and $\mysnd$ are the projections, with their respective
+  types.  Note that each field can refer to the preceding fields---in
+  this case we have the type of $\myfun{snd}$ depending on the value of
+  $\myfun{fst}$.  A constructor will be automatically generated, under
+  the name of $\mytyc{Prod}.\mydc{constr}$.  Dually to data types, we
+  will omit the type constructor prefix for record projections.
+
+  Following the bidirectionality of the system, we have that projections
+  (the destructors of the record) infer the type, while the constructor
+  gets checked:
+  \begin{center}
+    \mysmall
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmm}{\mytya}$}
+      \AxiomC{$\mychk{\mytmn}{\myapp{\mytyb}{\mytmm}}$}
+      \BinaryInfC{$\mychk{\mytyc{Prod}.\mydc{constr} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn}{\mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp \mytyb}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myinf{\myfun{snd} \myappsp \mytmt}{\mytyb \myappsp (\myfst \myappsp \mytmt)}$}}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\hspace{0.2cm}\myinf{\mytmt}{\mytyc{Prod} \myappsp \mytya \myappsp \mytyb}\hspace{0.2cm}$}
+      \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{fst} \myappsp \mytmt}{\mytya}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{$\myinf{\myfun{snd} \myappsp \mytmt}{\mytyb \myappsp (\myfst \myappsp \mytmt)}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+  \end{center}
+  What we have defined here is equivalent to ITT's dependent products.
+
+\end{description}
+
+\begin{figure}[p]
+    \mydesc{syntax}{ }{
+      \small
+      $
+      \begin{array}{l}
+        \mynamesyn ::= \cdots \mysynsep \mytyc{D} \mysynsep \mytyc{D}.\mydc{c} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{f}
+      \end{array}
+      $
+    }
+
+    \mynegder
+
+  \mydesc{syntax elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \mytmsyn ::= \cdots}{
+    \small
+      $
+      \begin{array}{r@{\ }l}
+         & \myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{\cdots\ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \\
+        \myelabf &
+        
+        \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+          \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myapp{\mytyc{D}}{\mytmsyn^{\mytele}} \mysynsep \cdots \mysynsep
+          \mytyc{D}.\mydc{c}_n \myappsp \mytmsyn^{\mytele_n} \mysynsep \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \mytmsyn \\
+        \end{array}
+      \end{array}
+      $
+  }
+
+    \mynegder
+
+  \mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
+        \small
+
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{c}
+          \myinf{\mytele \myarr \mytyp}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
+          \mytyc{D} \not\in \myctx \\
+          \myinff{\myctx;\ \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp}{\mytele \mycc \mytele_i \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}}{\mytyp}\ \ \ (1 \leq i \leq n) \\
+          \text{For each $(\myb{x} {:} \mytya)$ in each $\mytele_i$, if $\mytyc{D} \in \mytya$, then $\mytya = \myapp{\mytyc{D}}{\vec{\mytmt}}$.}
+        \end{array}
+          $}
+      \UnaryInfC{$
+        \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+          \myctx & \myelabt & \myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots \ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \\
+          & & \vspace{-0.2cm} \\
+          & \myelabf & \myctx;\ \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp;\ \cdots;\ \mytyc{D}.\mydc{c}_n : \mytele \mycc \mytele_n \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}; \\
+          &          &
+          \begin{array}{@{}r@{\ }l l}
+            \mytyc{D}.\myfun{elim} : & \mytele \myarr (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr & \textbf{target} \\
+            & (\myb{P} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \myarr \mytyp) \myarr & \textbf{motive} \\
+            & \left.
+              \begin{array}{@{}l}
+                \myind{3} \vdots \\
+                (\mytele_n \mycc \myhyps(\myb{P}, \mytele_n) \myarr \myapp{\myb{P}}{(\myapp{\mytyc{D}.\mydc{c}_n}{\mytelee_n})}) \myarr
+              \end{array} \right \}
+            & \textbf{methods}  \\
+            & \myapp{\myb{P}}{\myb{x}} &
+          \end{array}
+        \end{array}
+        $}
+      \DisplayProof \\ \vspace{0.2cm}\ \\
+      $
+        \begin{array}{@{}l l@{\ } l@{} r c l}
+          \textbf{where} & \myhyps(\myb{P}, & \myemptytele &) & \mymetagoes & \myemptytele \\
+          & \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) \\
+          & \myhyps(\myb{P}, & (\myb{x} {:} \mytya) \mycc \mytele & ) & \mymetagoes & \myhyps(\myb{P}, \mytele)
+        \end{array}
+        $
+
+  }
+
+    \mynegder
+
+  \mydesc{reduction elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{  
+        \small
+        $\myadt{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots \ |\ \mydc{c}_n : \mytele_n } \ \ \myelabf$
+      \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
+      \AxiomC{$\mytyc{D}.\mydc{c}_i : \mytele;\mytele_i \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \in \myctx$}
+      \BinaryInfC{$
+          \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)}
+        $}
+      \DisplayProof \\ \vspace{0.2cm}\ \\
+      $
+        \begin{array}{@{}l l@{\ } l@{} r c l}
+          \textbf{where} & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, & \myemptytele &) & \mymetagoes & \myemptytele \\
+                         & \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) \\
+                         & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, & (\myb{x} {:} \mytya); \mytele &) & \mymetagoes & \myrecs(\myse{P}, \vec{m}, \mytele)
+        \end{array}
+        $
+  }
+
+    \mynegder
+
+    \mydesc{syntax elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\mytmsyn ::= \cdots}}{
+          \small
+    $
+    \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+      \myctx & \myelabt & \myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \\
+             & \myelabf &
+
+             \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+               \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 \\
+             \end{array}
+    \end{array}
+    $
+}
+
+    \mynegder
+
+\mydesc{context elaboration:}{\myelab{\mydeclsyn}{\myctx}}{
+      \small
+    \AxiomC{$
+      \begin{array}{c}
+        \myinf{\mytele \myarr \mytyp}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
+        \mytyc{D} \not\in \myctx \\
+        \myinff{\myctx; \mytele; (\myb{f}_j : \myse{F}_j)_{j=1}^{i - 1}}{F_i}{\mytyp} \myind{3} (1 \le i \le n)
+      \end{array}
+        $}
+    \UnaryInfC{$
+      \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+        \myctx & \myelabt & \myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \\
+        & & \vspace{-0.2cm} \\
+        & \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}; \\
+        & & \mytyc{D}.\mydc{constr} : \mytele \myarr \myse{F}_1 \myarr \cdots \myarr \myse{F}_n \myarr \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee};
+      \end{array}
+      $}
+    \DisplayProof
+}
+
+    \mynegder
+
+  \mydesc{reduction elaboration:}{\mydeclsyn \myelabf \myctx \vdash \mytmsyn \myred \mytmsyn}{
+        \small
+          $\myreco{\mytyc{D}}{\mytele}{}{ \cdots, \myfun{f}_n : \myse{F}_n } \ \ \myelabf$
+          \AxiomC{$\mytyc{D} \in \myctx$}
+          \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myapp{\mytyc{D}.\myfun{f}_i}{(\mytyc{D}.\mydc{constr} \myappsp \vec{t})} \myred t_i$}
+          \DisplayProof
+  }
+
+  \caption{Elaboration for data types and records.}
+  \label{fig:elab}
+\end{figure}
+
+\begin{mydef}[Elaboration for user defined types]
+  Following the intuition given by the examples, the full elaboration
+  machinery is presented Figure \ref{fig:elab}.
+\end{mydef}
+Our elaboration is essentially a modification of Figure 9 of
+\cite{McBride2004}. However, our data types are not inductive
+families,\footnote{See Section \ref{sec:future-work} for a brief
+  description of inductive families.} we do bidirectional type checking
+by treating constructors/destructors as syntax, and we have records.
+
+\begin{mydef}[Strict positivity]
+  A inductive type declaration is \emph{strictly positive} if recursive
+  occurrences of the type we are defining do not appear embedded
+  anywhere in the domain part of any function in the types for the data
+  constructors.
+\end{mydef}
+In data type declarations we allow recursive occurrences as long as they
+are strictly positive, which ensures the consistency of the theory.  To
+achieve that we employing a syntactic check to make sure that this is
+the case---in fact the check is stricter than necessary for simplicity,
+given that we allow recursive occurrences only at the top level of data
+constructor arguments.  For example a definition of the $\mytyc{W}$ type
+is accepted in Agda but rejected in \mykant.  This is to make the
+eliminator generation simpler, and in practice it is seldom an
+impediment.
+
+Without these precautions, we can easily derive any type with no
+recursion:
+\begin{Verbatim}
+data Fix a = Fix (Fix a -> a) -- Negative occurrence of `Fix a'
+-- Term inhabiting any type `a'
+boom :: a
+boom = (\f -> f (Fix f)) (\x -> (\(Fix f) -> f) x x)
+\end{Verbatim}
+See \cite{Dybjer1991} for a more formal treatment of inductive
+definitions in ITT.
+
+For what concerns records, recursive occurrences are disallowed.  The
+reason for this choice is answered by the reason for the choice of
+having records at all: we need records to give the user types with
+$\eta$-laws for equality, as we saw in Section \ref{sec:eta-expand}
+and in the treatment of OTT in Section \ref{sec:ott}.  If we tried to
+$\eta$-expand recursive data types, we would expand forever.
+
+\begin{mydef}[Bidirectional type checking for elaborated types]
+To implement bidirectional type checking for constructors and
+destructors, we store their types in full in the context, and then
+instantiate when due.
+\end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{typing:}{\myctx
+  \vdash \mytmsyn \Updownarrow \mytmsyn}{ \AxiomC{$
+      \begin{array}{c}
+        \mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx \hspace{1cm}
+        \mytyc{D}.\mydc{c} : \mytele \mycc \mytele' \myarr
+        \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee} \in \myctx \\
+        \mytele'' = (\mytele;\mytele')\vec{A} \hspace{1cm}
+        \mychkk{\myctx; \mytake_{i-1}(\mytele'')}{t_i}{\myix_i( \mytele'')}\ \ 
+          (1 \le i \le \mytele'')
+      \end{array}
+      $}
+    \UnaryInfC{$\mychk{\myapp{\mytyc{D}.\mydc{c}}{\vec{t}}}{\myapp{\mytyc{D}}{\vec{A}}}$}
+    \DisplayProof
+
+    \myderivspp
+
+    \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
+    \AxiomC{$\mytyc{D}.\myfun{f} : \mytele \mycc (\myb{x} {:}
+      \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\myapp{\mytyc{D}}{\vec{A}}}$}
+    \TrinaryInfC{$\myinf{\myapp{\mytyc{D}.\myfun{f}}{\mytmt}}{(\mytele
+        \mycc (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr
+        \myse{F})(\vec{A};\mytmt)}$}
+    \DisplayProof
+  }
+Note that for 0-ary type constructors, like $\mynat$, we do not need to
+check canonical terms: we can automatically infer that $\mydc{zero}$ and
+$\mydc{suc}\myappsp n$ are of type $\mynat$.  \mykant\ implements this measure, even
+if it is not shown in the typing rule for simplicity.
+
+\subsubsection{Why user defined types?  Why eliminators?}
+
+The hardest design choice in developing $\mykant$\ was to decide whether
+user defined types should be included, and how to handle them.  As we
+saw, while we can devise general structures like $\mytyc{W}$, they are
+unsuitable both for for direct usage and `mechanical' usage.  Thus most
+theorem provers in the wild provide some means for the user to define
+structures tailored to specific uses.
+
+Even if we take user defined types for granted, while there is not much
+debate on how to handle records, there are two broad schools of thought
+regarding the handling of data types:
+\begin{description}
+\item[Fixed points and pattern matching] The road chosen by Agda and Coq.
+  Functions are written like in Haskell---matching on the input and with
+  explicit recursion.  An external check on the recursive arguments
+  ensures that they are decreasing, and thus that all functions
+  terminate.  This approach is the best in terms of user usability, but
+  it is tricky to implement correctly.
+
+\item[Elaboration into eliminators] The road chose by \mykant, and
+  pioneered by the Epigram line of work.  The advantage is that we can
+  reduce every data type to simple definitions which guarantee
+  termination and are simple to reduce and type.  It is however more
+  cumbersome to use than pattern matching, although \cite{McBride2004}
+  has shown how to implement an expressive pattern matching interface on
+  top of a larger set of combinators of those provided by \mykant.
+
+  We can go ever further down this road and elaborate the declarations
+  for data types themselves to a small set of primitives, so that our `core'
+  language will be very small and manageable
+  \citep{dagand2012elaborating, chapman2010gentle}.
+\end{description}
+
+We chose the safer and easier to implement path, given the time
+constraints and the higher confidence of correctness.  See also Section
+\ref{sec:future-work} for a brief overview of ways to extend or treat
+user defined types.
+
+\subsection{Cumulative hierarchy and typical ambiguity}
+\label{sec:term-hierarchy}
+
+Having a well founded type hierarchy is crucial if we want to retain
+consistency, otherwise we can break our type systems by proving bottom,
+as shown in Appendix \ref{app:hurkens}.
+
+However, hierarchy as presented in section \ref{sec:itt} is a
+considerable burden on the user, on various levels.  Consider for
+example how we recovered disjunctions in Section \ref{sec:disju}: we
+have a function that takes two $\mytyp_0$ and forms a new $\mytyp_0$.
+What if we wanted to form a disjunction containing something a
+$\mytyp_1$, or $\mytyp_{42}$?  Our definition would fail us, since
+$\mytyp_1 : \mytyp_2$.
+
+\begin{figure}[b!]
+
+\mydesc{cumulativity:}{\myctx \vdash \mytmsyn \mycumul \mytmsyn}{
+  \begin{tabular}{ccc}
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya \mydefeq \mytyb$}
+    \UnaryInfC{$\myctx \vdash \mytya \mycumul \mytyb$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{\phantom{$\myctx \vdash \mytya \mydefeq \mytyb$}}
+    \UnaryInfC{$\myctx \vdash \mytyp_l \mycumul \mytyp_{l+1}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya \mycumul \mytyb$}
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytyb \mycumul \myse{C}$}
+    \BinaryInfC{$\myctx \vdash \mytya \mycumul \myse{C}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+  \begin{tabular}{ccc}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya \mycumul \mytyb$}
+    \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya_1 \mydefeq \mytya_2$}
+    \AxiomC{$\myctx; \myb{x} : \mytya_1 \vdash \mytyb_1 \mycumul \mytyb_2$}
+    \BinaryInfC{$\myctx (\myb{x} {:} \mytya_1) \myarr \mytyb_1 \mycumul  (\myb{x} {:} \mytya_2) \myarr \mytyb_2$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+}
+\caption{Cumulativity rules for base types in \mykant, plus a
+  `conversion' rule for cumulative types.}
+  \label{fig:cumulativity}
+\end{figure}
+
+One way to solve this issue is a \emph{cumulative} hierarchy, where
+$\mytyp_{l_1} : \mytyp_{l_2}$ iff $l_1 < l_2$.  This way we retain
+consistency, while allowing for `large' definitions that work on small
+types too.
+
+\begin{mydef}[Cumulativity for \mykant' base types]
+  Figure \ref{fig:cumulativity} gives a formal definition of
+  \emph{cumulativity} for the base types.  Similar measures can be taken
+  for user defined types, withe the type living in the least upper bound
+  of the levels where the types contained data live.
+\end{mydef}
+For example we might define our disjunction to be
+\[
+  \myarg\myfun{$\vee$}\myarg : \mytyp_{100} \myarr \mytyp_{100} \myarr \mytyp_{100}
+\]
+And hope that $\mytyp_{100}$ will be large enough to fit all the types
+that we want to use with our disjunction.  However, there are two
+problems with this.  First, clumsiness of having to manually specify the
+size of types is still there.  More importantly, if we want to use
+$\myfun{$\vee$}$ itself as an argument to other type-formers, we need to
+make sure that those allow for types at least as large as
+$\mytyp_{100}$.
+
+A better option is to employ a mechanised version of what Russell called
+\emph{typical ambiguity}: we let the user live under the illusion that
+$\mytyp : \mytyp$, but check that the statements about types are
+consistent under the hood.  $\mykant$\ implements this following the
+plan given by \cite{Huet1988}.  See also \cite{Harper1991} for a
+published reference, although describing a more complex system allowing
+for both explicit and explicit hierarchy at the same time.
+
+We define a partial ordering on the levels, with both weak ($\le$) and
+strong ($<$) constraints, the laws governing them being the same as the
+ones governing $<$ and $\le$ for the natural numbers.  Each occurrence
+of $\mytyp$ is decorated with a unique reference.  We keep a set of
+constraints regarding the ordering of each occurrence of $\mytyp$, each
+represented by its unique reference.  We add new constraints as we type
+check, generating new references when needed.
+
+For example, when type checking the type $\mytyp\, r_1$, where $r_1$
+denotes the unique reference assigned to that term, we will generate a
+new fresh reference and return the type $\mytyp\, r_2$, adding the
+constraint $r_1 < r_2$ to the set.  When type checking $\myctx \vdash
+\myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb}$, if $\myctx \vdash \mytya : \mytyp\,
+r_1$ and $\myctx; \myb{x} : \mytyb \vdash \mytyb : \mytyp\,r_2$; we will
+generate new reference $r$ and add $r_1 \le r$ and $r_2 \le r$ to the
+set.
+
+If at any point the constraint set becomes inconsistent, type checking
+fails.  Moreover, when comparing two $\mytyp$ terms---during the process
+of deciding definitional equality for two terms---we equate their
+respective references with two $\le$ constraints.  Implementation
+details are given in Section \ref{sec:hier-impl}.
+
+Another more flexible but also more verbose alternative is the one
+chosen by Agda, where levels can be quantified so that the relationship
+between arguments and result in type formers can be explicitly
+expressed:
+\[
+\myarg\myfun{$\vee$}\myarg : (l_1\, l_2 : \mytyc{Level}) \myarr \mytyp_{l_1} \myarr \mytyp_{l_2} \myarr \mytyp_{l_1 \mylub l_2}
+\]
+Inference algorithms to automatically derive this kind of relationship
+are currently subject of research.  We choose a less flexible but more
+concise way, since it is easier to implement and better understood.
+
+\subsection{Observational equality, \mykant\ style}
+
+There are two correlated differences between $\mykant$\ and the theory
+used to present OTT.  The first is that in $\mykant$ we have a type
+hierarchy, which lets us, for example, abstract over types.  The second
+is that we let the user define inductive types and records.
+
+Reconciling propositions for OTT and a hierarchy had already been
+investigated by Conor McBride,\footnote{See
+  \url{http://www.e-pig.org/epilogue/index.html?p=1098.html}.} and we
+follow some of his suggestions, with some innovation.  Most of the dirty
+work, as an extension of elaboration, is to handle reduction rules and
+coercions for data types---both type constructors and data constructors.
+
+\subsubsection{The \mykant\ prelude, and $\myprop$ositions}
+
+Before defining $\myprop$, we define some basic types inside $\mykant$,
+as the target for the $\myprop$ decoder.
+\begin{mydef}[\mykant' propositional prelude]\ \end{mydef}
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \myadt{\mytyc{Empty}}{}{ }{ } \\
+  \myfun{absurd} : (\myb{A} {:} \mytyp) \myarr \mytyc{Empty} \myarr \myb{A} \mapsto \\
+  \myind{2} \myabs{\myb{A\ \myb{bot}}}{\mytyc{Empty}.\myfun{elim} \myappsp \myb{bot} \myappsp (\myabs{\_}{\myb{A}})} \\
+  \ \\
+
+  \myreco{\mytyc{Unit}}{}{}{ } \\ \ \\
+
+  \myreco{\mytyc{Prod}}{\myappsp (\myb{A}\ \myb{B} {:} \mytyp)}{ }{\myfun{fst} : \myb{A}, \myfun{snd} : \myb{B} }
+\end{array}
+\]
+
+\begin{mydef}[Propositions and decoding]\ \end{mydef}
+\mynegder
+\mydesc{syntax}{ }{
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myprdec{\myprsyn} \\
+    \myprsyn & ::= & \mybot \mysynsep \mytop \mysynsep \myprsyn \myand \myprsyn \mysynsep \myprfora{\myb{x}}{\mytmsyn}{\myprsyn}
+  \end{array}
+  $
+}
+\mynegder
+\mydesc{proposition decoding:}{\myprdec{\mytmsyn} \myred \mytmsyn}{
+  \begin{tabular}{cc}
+    $
+    \begin{array}{l@{\ }c@{\ }l}
+      \myprdec{\mybot} & \myred & \myempty \\
+      \myprdec{\mytop} & \myred & \myunit
+    \end{array}
+    $
+    &
+    $
+    \begin{array}{r@{ }c@{ }l@{\ }c@{\ }l}
+      \myprdec{&\myse{P} \myand \myse{Q} &} & \myred & \mytyc{Prod} \myappsp \myprdec{\myse{P}} \myappsp \myprdec{\myse{Q}} \\
+      \myprdec{&\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}} &} & \myred &
+      \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\myprdec{\myse{P}}}
+    \end{array}
+    $
+  \end{tabular}
+}
+
+We will overload the $\myand$ symbol to define `nested' products, and
+$\myproj{n}$ to project elements from them, so that
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+\mytya \myand \mytyb = \mytya \myand (\mytyb \myand \mytop) \\
+\mytya \myand \mytyb \myand \myse{C} = \mytya \myand (\mytyb \myand (\myse{C} \myand \mytop)) \\
+\myind{2} \vdots \\
+\myproj{1} : \myprdec{\mytya \myand \mytyb} \myarr \myprdec{\mytya} \\
+\myproj{2} : \myprdec{\mytya \myand \mytyb \myand \myse{C}} \myarr \myprdec{\mytyb} \\
+\myind{2} \vdots
+\end{array}
+\]
+And so on, so that $\myproj{n}$ will work with all products with at
+least than $n$ elements.  Logically a 0-ary $\myand$ will correspond to
+$\mytop$.
+
+\subsubsection{Some OTT examples}
+
+Before presenting the direction that $\mykant$\ takes, let us consider
+two examples of use-defined data types, and the result we would expect
+given what we already know about OTT, assuming the same propositional
+equalities.
+
+\begin{description}
+
+\item[Product types] Let us consider first the already mentioned
+  dependent product, using the alternate name $\mysigma$\footnote{For
+    extra confusion, `dependent products' are often called `dependent
+    sums' in the literature, referring to the interpretation that
+    identifies the first element as a `tag' deciding the type of the
+    second element, which lets us recover sum types (disjuctions), as we
+    saw in Section \ref{sec:depprod}.  Thus, $\mysigma$.} to
+  avoid confusion with the $\mytyc{Prod}$ in the prelude:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myreco{\mysigma}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp) \myappsp (\myb{B} {:} \myb{A} \myarr \mytyp)}{\\ \myind{2}}{\myfst : \myb{A}, \mysnd : \myapp{\myb{B}}{\myb{fst}}}
+  \end{array}
+  \]
+  First type-level equality.  The result we want is
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+      \mysigma \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myeq \mysigma \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myred \\
+      \myind{2} \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2}} \myimpl \myapp{\mytyb_1}{\myb{x_1}} \myeq \myapp{\mytyb_2}{\myb{x_2}}}
+    \end{array}
+  \]
+  The difference here is that in the original presentation of OTT the
+  type binders are explicit, while here $\mytyb_1$ and $\mytyb_2$ are
+  functions returning types.  We can do this thanks to the type
+  hierarchy, and this hints at the fact that heterogeneous equality will
+  have to allow $\mytyp$ `to the right of the colon'.  Indeed,
+  heterogeneous equalities involving abstractions over types will
+  provide the solution to simplify the equality above.
+
+  If we take, just like we saw previously in OTT
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+      \myjm{\myse{f}_1}{\myfora{\mytya_1}{\myb{x_1}}{\mytyb_1}}{\myse{f}_2}{\myfora{\mytya_2}{\myb{x_2}}{\mytyb_2}} \myred \\
+      \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
+           \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
+           \myjm{\myapp{\myse{f}_1}{\myb{x_1}}}{\mytyb_1[\myb{x_1}]}{\myapp{\myse{f}_2}{\myb{x_2}}}{\mytyb_2[\myb{x_2}]}
+         }}
+    \end{array}
+  \]
+  Then we can simply have
+  \[
+    \begin{array}{@{}l}
+      \mysigma \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myeq \mysigma \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myred \\ \myind{2} \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand \myjm{\mytyb_1}{\mytya_1 \myarr \mytyp}{\mytyb_2}{\mytya_2 \myarr \mytyp}
+    \end{array}
+  \]
+  Which will reduce to precisely what we desire, but with an
+  heterogeneous equalities relating types instead of values:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand \myjm{\mytyb_1}{\mytya_1 \myarr \mytyp}{\mytyb_2}{\mytya_2 \myarr \mytyp} \myred \\
+    \mytya_1 \myeq \mytya_2 \myand
+    \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
+        \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
+        \myjm{\myapp{\mytyb_1}{\myb{x_1}}}{\mytyp}{\myapp{\mytyb_2}{\myb{x_2}}}{\mytyp}
+      }}
+  \end{array}
+  \]
+  If we pretend for the moment that those heterogeneous equalities were
+  type equalities, things run smoothly. For what concerns coercions and
+  quotation, things stay the same (apart from the fact that we apply to
+  the second argument instead of substituting).  We can recognise
+  records such as $\mysigma$ as such and employ projections in value
+  equality and coercions; as to not impede progress if not necessary.
+
+\item[Lists] Now for finite lists, which will give us a taste for data
+  constructors:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myadt{\mylist}{\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp)}{ }{\mydc{nil} \mydcsep \mydc{cons} \myappsp \myb{A} \myappsp (\myapp{\mylist}{\myb{A}})}
+  \end{array}
+  \]
+  Type equality is simple---we only need to compare the parameter:
+  \[
+    \mylist \myappsp \mytya_1 \myeq \mylist \myappsp \mytya_2 \myred \mytya_1 \myeq \mytya_2
+    \]
+    For coercions, we transport based on the constructor, recycling the
+    proof for the inductive occurrence:
+  \[
+    \begin{array}{@{}l@{\ }c@{\ }l}
+      \mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp \mydc{nil} & \myred & \mydc{nil} \\
+      \mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp (\mydc{cons} \myappsp \mytmm \myappsp \mytmn) & \myred & \\
+      \multicolumn{3}{l}{\myind{2} \mydc{cons} \myappsp (\mycoe \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytya_2 \myappsp \myse{Q} \myappsp \mytmm) \myappsp (\mycoe \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_1) \myappsp (\mylist \myappsp \mytya_2) \myappsp \myse{Q} \myappsp \mytmn)}
+    \end{array}
+  \]
+  Value equality is unsurprising---we match the constructors, and
+  return bottom for mismatches.  However, we also need to equate the
+  parameter in $\mydc{nil}$:
+  \[
+    \begin{array}{r@{ }c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }c@{\ }r@{}c@{\ }c@{\ }c@{}l@{\ }l}
+      (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mytya_1 \myeq \mytya_2 \\
+      (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_1 \myappsp \mytmn_1 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_2 \myappsp \mytmn_2 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \\
+      & \multicolumn{11}{@{}l}{ \myind{2}
+        \myjm{\mytmm_1}{\mytya_1}{\mytmm_2}{\mytya_2} \myand \myjm{\mytmn_1}{\myapp{\mylist}{\mytya_1}}{\mytmn_2}{\myapp{\mylist}{\mytya_2}}
+        } \\
+      (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_2 \myappsp \mytmn_2 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mybot \\
+      (& \mydc{cons} \myappsp \mytmm_1 \myappsp \mytmn_1 & : & \myapp{\mylist}{\mytya_1} &) & \myeq & (& \mydc{nil} & : & \myapp{\mylist}{\mytya_2} &) \myred \mybot
+    \end{array}
+  \]
+\end{description}
+
+\subsubsection{Only one equality}
+
+Given the examples above, a more `flexible' heterogeneous equality must
+emerge, since of the fact that in $\mykant$ we re-gain the possibility
+of abstracting and in general handling types in a way that was not
+possible in the original OTT presentation.  Moreover, we found that the
+rules for value equality work well if used with user defined type
+abstractions---for example in the case of dependent products we recover
+the original definition with explicit binders, in a natural manner.
+
+\begin{mydef}[Propositions, coercions, coherence, equalities and
+  equality reduction for \mykant] See Figure \ref{fig:kant-eq-red}.
+\end{mydef}
+
+\begin{mydef}[Type equality in \mykant]
+  We define $\mytya \myeq \mytyb$ as an abbreviation for
+  $\myjm{\mytya}{\mytyp}{\mytyb}{\mytyp}$.
+\end{mydef}
+
+In fact, we can drop a separate notion of type-equality, which will
+simply be served by $\myjm{\mytya}{\mytyp}{\mytyb}{\mytyp}$.  We shall
+still distinguish equalities relating types for hierarchical
+purposes. We exploit record to perform $\eta$-expansion.  Moreover,
+given the nested $\myand$s, values of data types with zero constructors
+(such as $\myempty$) and records with zero destructors (such as
+$\myunit$) will be automatically always identified as equal.  As in the
+original OTT, and for the same reasons, we can take $\myfun{coh}$ as
+axiomatic.
+
+
+\begin{figure}[p]
+\mydesc{syntax}{ }{
+  \small
+  $
+  \begin{array}{r@{\ }c@{\ }l}
+    \mytmsyn & ::= & \cdots \mysynsep \mycoee{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \mysynsep
+                     \mycohh{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+    \myprsyn & ::= & \cdots \mysynsep \myjm{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn}{\mytmsyn} \\
+  \end{array}
+  $
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{typing:}{\myctx \vdash \mytmsyn \Leftrightarrow \mytmsyn}{
+  \small
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\mychk{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
+    \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+    \BinaryInfC{$\myinf{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\mychk{\myse{P}}{\myprdec{\mytya \myeq \mytyb}}$}
+    \AxiomC{$\mychk{\mytmt}{\mytya}$}
+    \BinaryInfC{$\myinf{\mycohh{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\myprdec{\myjm{\mytmt}{\mytya}{\mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{P}}{\mytmt}}{\mytyb}}}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{propositions:}{\myjud{\myprsyn}{\myprop}}{
+  \small
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{\phantom{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mytop}{\myprop}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$\myjud{\myse{P}}{\myprop}$}
+      \AxiomC{$\myjud{\myse{Q}}{\myprop}$}
+      \BinaryInfC{$\myjud{\myse{P} \myand \myse{Q}}{\myprop}$}
+      \noLine
+      \UnaryInfC{\phantom{$\myjud{\mybot}{\myprop}$}}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+    \myderivspp
+
+    \begin{tabular}{cc}
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{@{}c}
+          \phantom{\myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}}} \\
+          \myjud{\myse{A}}{\mytyp}\hspace{0.8cm}
+          \myjudd{\myctx; \myb{x} : \mytya}{\myse{P}}{\myprop}
+        \end{array}
+        $}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myprfora{\myb{x}}{\mytya}{\myse{P}}}{\myprop}$}
+      \DisplayProof
+      &
+      \AxiomC{$
+        \begin{array}{c}
+          \myjud{\myse{A}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmm}{\myse{A}} \\
+          \myjud{\myse{B}}{\mytyp} \hspace{0.8cm} \myjud{\mytmn}{\myse{B}}
+        \end{array}
+        $}
+      \UnaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\myse{A}}{\mytmn}{\myse{B}}}{\myprop}$}
+      \DisplayProof
+    \end{tabular}
+}
+
+\mynegder
+
+\mydesc{equality reduction:}{\myctx \vdash \myprsyn \myred \myprsyn}{
+  \small
+    \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myjm{\mytyp}{\mytyp}{\mytyp}{\mytyp} \myred \mytop$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{}
+    \UnaryInfC{$\myctx \vdash \myjm{\myprdec{\myse{P}}}{\mytyp}{\myprdec{\myse{Q}}}{\mytyp} \myred \mytop$}
+    \DisplayProof
+    \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{}
+  \UnaryInfC{$
+    \begin{array}{@{}r@{\ }l}
+    \myctx \vdash &
+    \myjm{\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}}{\mytyp}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}}{\mytyp}  \myred \\
+    & \myind{2} \mytya_2 \myeq \mytya_1 \myand \myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{
+        \myjm{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\myb{x_1}}{\mytya_1} \myimpl \mytyb_1[\myb{x_1}] \myeq \mytyb_2[\myb{x_2}]
+      }}
+    \end{array}
+    $}
+  \DisplayProof
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{}
+  \UnaryInfC{$
+    \begin{array}{@{}r@{\ }l}
+      \myctx \vdash &
+      \myjm{\myse{f}_1}{\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}}{\myse{f}_2}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}}  \myred \\
+      & \myind{2} \myprfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myprfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{
+          \myjm{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myb{x_2}}{\mytya_2} \myimpl
+          \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}]}
+        }}
+    \end{array}
+    $}
+  \DisplayProof
+  
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$\mytyc{D} : \mytele \myarr \mytyp \in \myctx$}
+  \UnaryInfC{$
+    \begin{array}{r@{\ }l}
+      \myctx \vdash &
+      \myjm{\mytyc{D} \myappsp \vec{A}}{\mytyp}{\mytyc{D} \myappsp \vec{B}}{\mytyp}  \myred \\
+      & \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}))})
+    \end{array}
+    $}
+  \DisplayProof
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$
+    \begin{array}{@{}c}
+      \mydataty(\mytyc{D}, \myctx)\hspace{0.8cm}
+      \mytyc{D}.\mydc{c} : \mytele;\mytele' \myarr \mytyc{D} \myappsp \mytelee \in \myctx \hspace{0.8cm}
+      \mytele_A = (\mytele;\mytele')\vec{A}\hspace{0.8cm}
+      \mytele_B = (\mytele;\mytele')\vec{B}
+    \end{array}
+    $}
+  \UnaryInfC{$
+    \begin{array}{@{}l@{\ }l}
+      \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 \\
+      & \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}))})
+    \end{array}
+    $}
+  \DisplayProof
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$\mydataty(\mytyc{D}, \myctx)$}
+  \UnaryInfC{$
+      \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
+    $}
+  \DisplayProof
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$
+    \begin{array}{@{}c}
+      \myisreco(\mytyc{D}, \myctx)\hspace{0.8cm}
+      \mytyc{D}.\myfun{f}_i : \mytele; (\myb{x} {:} \myapp{\mytyc{D}}{\mytelee}) \myarr \myse{F}_i  \in \myctx\\
+    \end{array}
+    $}
+  \UnaryInfC{$
+    \begin{array}{@{}l@{\ }l}
+      \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})})
+    \end{array}
+    $}
+  \DisplayProof
+  
+  \myderivspp
+  \AxiomC{}
+  \UnaryInfC{$\myjm{\mytmm}{\mytya}{\mytmn}{\mytyb}  \myred \mybot\ \text{if $\mytya$ and $\mytyb$ are canonical types.}$}
+  \DisplayProof
+}
+\caption{Propositions and equality reduction in $\mykant$.  We assume
+  the presence of $\mydataty$ and $\myisreco$ as operations on the
+  context to recognise whether a user defined type is a data type or a
+  record.}
+  \label{fig:kant-eq-red}
+\end{figure}
+
+\subsubsection{Coercions}
+
+For coercions the algorithm is messier and not reproduced here for lack
+of a decent notation---the details are hairy but uninteresting.  To give
+an idea of the possible complications, let us conceive a type that
+showcases trouble not arising in the previous examples.
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+\myadt{\mytyc{Max}}{\myappsp (\myb{A} {:} \mynat \myarr \mytyp) \myappsp (\myb{B} {:} (\myb{x} {:} \mynat) \myarr \myb{A} \myappsp \myb{x} \myarr \mytyp) \myappsp (\myb{k} {:} \mynat)}{ \\ \myind{2}}{
+  \mydc{max} \myappsp (\myb{A} \myappsp \myb{k}) \myappsp (\myb{x} {:} \mynat) \myappsp (\myb{a} {:} \myb{A} \myappsp \myb{x}) \myappsp (\myb{B} \myappsp \myb{x} \myappsp \myb{a})
+}
+\end{array}
+\]
+For type equalities we will have
+\[
+\begin{array}{@{}l@{\ }l}
+  \myjm{\mytyc{Max} \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myappsp \myse{k}_1}{\mytyp}{\mytyc{Max} \myappsp \mytya_2 \myappsp \myappsp \mytyb_2 \myappsp \myse{k}_2}{\mytyp} & \myred \\[0.2cm]
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myjm{\mytya_1}{\mynat \myarr \mytyp}{\mytya_2}{\mynat \myarr \mytyp} \myand \\
+    \myjm{\mytyb_1}{(\myb{x} {:} \mynat) \myarr \mytya_1 \myappsp \myb{x} \myarr \mytyp}{\mytyb_2}{(\myb{x} {:} \mynat) \myarr \mytya_2 \myappsp \myb{x} \myarr \mytyp} \\
+    \myjm{\myse{k}_1}{\mynat}{\myse{k}_2}{\mynat}
+  \end{array} & \myred \\[0.7cm]
+  \begin{array}{@{}l}
+    (\mynat \myeq \mynat \myand  (\myprfora{\myb{x_1}\, \myb{x_2}}{\mynat}{\myjm{\myb{x_1}}{\mynat}{\myb{x_2}}{\mynat} \myimpl \myapp{\mytya_1}{\myb{x_1}} \myeq \myapp{\mytya_2}{\myb{x_2}}})) \myand \\
+    (\mynat \myeq \mynat \myand \left(
+    \begin{array}{@{}l}
+      \myprfora{\myb{x_1}\, \myb{x_2}}{\mynat}{\myjm{\myb{x_1}}{\mynat}{\myb{x_2}}{\mynat} \myimpl  \\ \myjm{\mytyb_1 \myappsp \myb{x_1}}{\mytya_1 \myappsp \myb{x_1} \myarr \mytyp}{\mytyb_2 \myappsp \myb{x_2}}{\mytya_2 \myappsp \myb{x_2} \myarr \mytyp}}
+    \end{array}
+    \right)) \myand \\
+    \myjm{\myse{k}_1}{\mynat}{\myse{k}_2}{\mynat}
+  \end{array} & \myred \\[0.9cm]
+  \begin{array}{@{}l}
+    (\mytop \myand  (\myprfora{\myb{x_1}\, \myb{x_2}}{\mynat}{\myjm{\myb{x_1}}{\mynat}{\myb{x_2}}{\mynat} \myimpl \myapp{\mytya_1}{\myb{x_1}} \myeq \myapp{\mytya_2}{\myb{x_2}}})) \myand \\
+    (\mytop \myand \left(
+    \begin{array}{@{}l}
+      \myprfora{\myb{x_1}\, \myb{x_2}}{\mynat}{\myjm{\myb{x_1}}{\mynat}{\myb{x_2}}{\mynat} \myimpl  \\
+        \myprfora{\myb{y_1}}{\mytya_1 \myappsp \myb{x_1}}{\myprfora{\myb{y_2}}{\mytya_2 \myappsp \myb{x_2}}{\myjm{\myb{y_1}}{\mytya_1 \myappsp \myb{x_1}}{\myb{y_2}}{\mytya_2 \myappsp \myb{x_2}} \myimpl  \\
+            \mytyb_1 \myappsp \myb{x_1} \myappsp \myb{y_1} \myeq \mytyb_2 \myappsp \myb{x_2} \myappsp \myb{y_2}}}}
+    \end{array}
+    \right)) \myand \\
+    \myjm{\myse{k}_1}{\mynat}{\myse{k}_2}{\mynat}
+  \end{array} & 
+\end{array}
+\]
+The result, while looking complicated, is actually saying something
+simple---given equal inputs, the parameters for $\mytyc{Max}$ will
+return equal types.  Moreover, we have evidence that the two $\myb{k}$
+parameters are equal.  When coercing, we need to mechanically generate
+one proof of equality for each argument, and then coerce:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+\mycoee{(\mytyc{Max} \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myappsp \myse{k}_1)}{(\mytyc{Max} \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myappsp \myse{k}_2)}{\myse{Q}}{(\mydc{max} \myappsp \myse{ak}_1 \myappsp \myse{n}_1 \myappsp \myse{a}_1 \myappsp \myse{b}_1)} \myred \\
+\myind{2}
+\begin{array}[t]{l@{\ }l@{\ }c@{\ }l}
+  \mysyn{let} & \myb{Q_{Ak}} & \mapsto & \myhole{?} : \myprdec{\mytya_1 \myappsp \myse{k}_1 \myeq \mytya_2 \myappsp \myse{k}_2} \\
+              & \myb{ak_2}    & \mapsto & \mycoee{(\mytya_1 \myappsp \myse{k}_1)}{(\mytya_2 \myappsp \myse{k}_2)}{\myb{Q_{Ak}}}{\myse{ak_1}} : \mytya_1 \myappsp \myse{k}_2 \\
+              & \myb{Q_{\mathbb{N}}} & \mapsto & \myhole{?} : \myprdec{\mynat \myeq \mynat} \\
+              & \myb{n_2} & \mapsto & \mycoee{\mynat}{\mynat}{\myb{Q_{\mathbb{N}}}}{\myse{n_1}} : \mynat \\
+              & \myb{Q_A} & \mapsto & \myhole{?} : \myprdec{\mytya_1 \myappsp \myse{n_1} \myeq \mytya_2 \myappsp \myb{n_2}} \\
+              & \myb{a_2} & \mapsto & \mycoee{(\mytya_1 \myappsp \myse{n_1})}{(\mytya_2 \myappsp \myb{n_2})}{\myb{Q_A}} :  \mytya_2 \myappsp \myb{n_2} \\
+              & \myb{Q_B} & \mapsto & \myhole{?} : \myprdec{\mytyb_1 \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myse{a}_1 \myeq \mytyb_1 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2}} \\
+              & \myb{b_2} & \mapsto & \mycoee{(\mytyb_1 \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myse{a_1})}{(\mytyb_2 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2})}{\myb{Q_B}} :  \mytyb_2 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2} \\
+  \mysyn{in} & \multicolumn{3}{@{}l}{\mydc{max} \myappsp \myb{ak_2} \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2} \myappsp \myb{b_2}}
+\end{array}
+\end{array}
+\]
+For equalities regarding types that are external to the data type we can
+derive a proof by reflexivity by invoking $\mydc{refl}$ as defined in
+Section \ref{sec:lazy}, and the instantiate arguments if we need too.
+In this case, for $\mynat$, we do not have any arguments.  For
+equalities concerning arguments of the type constructor or already
+coerced arguments of the type constructor we have to refer to the right
+proof and use $\mycoh$erence when due, which is where the technical
+annoyance lies:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+\mycoee{(\mytyc{Max} \myappsp \mytya_1 \myappsp \mytyb_1 \myappsp \myse{k}_1)}{(\mytyc{Max} \myappsp \mytya_2 \myappsp \mytyb_2 \myappsp \myse{k}_2)}{\myse{Q}}{(\mydc{max} \myappsp \myse{ak}_1 \myappsp \myse{n}_1 \myappsp \myse{a}_1 \myappsp \myse{b}_1)} \myred \\
+\myind{2}
+\begin{array}[t]{l@{\ }l@{\ }c@{\ }l}
+  \mysyn{let} & \myb{Q_{Ak}} & \mapsto & (\myproj{2} \myappsp (\myproj{1} \myappsp \myse{Q})) \myappsp \myse{k_1} \myappsp \myse{k_2} \myappsp (\myproj{3} \myappsp \myse{Q}) : \myprdec{\mytya_1 \myappsp \myse{k}_1 \myeq \mytya_2 \myappsp \myse{k}_2} \\
+              & \myb{ak_2}    & \mapsto & \mycoee{(\mytya_1 \myappsp \myse{k}_1)}{(\mytya_2 \myappsp \myse{k}_2)}{\myb{Q_{Ak}}}{\myse{ak_1}} : \mytya_1 \myappsp \myse{k}_2 \\
+              & \myb{Q_{\mathbb{N}}} & \mapsto & \mydc{refl} \myappsp \mynat : \myprdec{\mynat \myeq \mynat} \\
+              & \myb{n_2} & \mapsto & \mycoee{\mynat}{\mynat}{\myb{Q_{\mathbb{N}}}}{\myse{n_1}} : \mynat \\
+              & \myb{Q_A} & \mapsto & (\myproj{2} \myappsp (\myproj{1} \myappsp \myse{Q})) \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myb{n_2} \myappsp (\mycohh{\mynat}{\mynat}{\myb{Q_{\mathbb{N}}}}{\myse{n_1}}) : \myprdec{\mytya_1 \myappsp \myse{n_1} \myeq \mytya_2 \myappsp \myb{n_2}} \\
+              & \myb{a_2} & \mapsto & \mycoee{(\mytya_1 \myappsp \myse{n_1})}{(\mytya_2 \myappsp \myb{n_2})}{\myb{Q_A}} :  \mytya_2 \myappsp \myb{n_2} \\
+              & \myb{Q_B} & \mapsto & (\myproj{2} \myappsp (\myproj{2} \myappsp \myse{Q})) \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{Q_{\mathbb{N}}} \myappsp \myse{a_1} \myappsp \myb{a_2} \myappsp (\mycohh{(\mytya_1 \myappsp \myse{n_1})}{(\mytya_2 \myappsp \myse{n_2})}{\myb{Q_A}}{\myse{a_1}}) : \myprdec{\mytyb_1 \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myse{a}_1 \myeq \mytyb_1 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2}} \\
+              & \myb{b_2} & \mapsto & \mycoee{(\mytyb_1 \myappsp \myse{n_1} \myappsp \myse{a_1})}{(\mytyb_2 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2})}{\myb{Q_B}} :  \mytyb_2 \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2} \\
+  \mysyn{in} & \multicolumn{3}{@{}l}{\mydc{max} \myappsp \myb{ak_2} \myappsp \myb{n_2} \myappsp \myb{a_2} \myappsp \myb{b_2}}
+\end{array}
+\end{array}
+\]
+
+\subsubsection{$\myprop$ and the hierarchy}
+
+We shall have, at each universe level, not only a $\mytyp_l$ but also a
+$\myprop_l$.  Where will propositions placed in the type hierarchy?  The
+main indicator is the decoding operator, since it converts into things
+that already live in the hierarchy.  For example, if we have
+\[
+  \myprdec{\mynat \myarr \mybool \myeq \mynat \myarr \mybool} \myred
+  \mytop \myand ((\myb{x}\, \myb{y} : \mynat) \myarr \mytop \myarr \mytop)
+\]
+we will better make sure that the `to be decoded' is at level compatible
+(read: larger) with its reduction.  In the example above, we will have
+that proposition to be at least as large as the type of $\mynat$, since
+the reduced proof will abstract over it.  Pretending that we had
+explicit, non cumulative levels, it would be tempting to have
+\begin{center}
+\begin{tabular}{cc}
+  \AxiomC{$\myjud{\myse{Q}}{\myprop_l}$}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myprdec{\myse{Q}}}{\mytyp_l}$}
+  \DisplayProof
+&
+  \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp_l}$}
+  \BinaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytya}{\mytyp_{l}}{\mytyb}{\mytyp_{l}}}{\myprop_l}$}
+  \DisplayProof
+\end{tabular}
+\end{center}
+$\mybot$ and $\mytop$ living at any level, $\myand$ and $\forall$
+following rules similar to the ones for $\myprod$ and $\myarr$ in
+Section \ref{sec:itt}. However, we need to be careful with value
+equality since for example we have that
+\[
+  \myprdec{\myjm{\myse{f}_1}{\myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\mytyb_1}}{\myse{f}_2}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\mytyb_2}}}
+  \myred
+  \myfora{\myb{x_1}}{\mytya_1}{\myfora{\myb{x_2}}{\mytya_2}{\cdots}}
+\]
+where the proposition decodes into something of at least type $\mytyp_l$, where
+$\mytya_l : \mytyp_l$ and $\mytyb_l : \mytyp_l$.  We can resolve this
+tension by making all equalities larger:
+\begin{prooftree}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytyb}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp_l}$}
+  \QuaternaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\mytya}{\mytmm}{\mytya}}{\myprop_l}$}
+\end{prooftree}
+This is disappointing, since type equalities will be needlessly large:
+$\myprdec{\myjm{\mytya}{\mytyp_l}{\mytyb}{\mytyp_l}} : \mytyp_{l + 1}$.
+
+However, considering that our theory is cumulative, we can do better.
+Assuming rules for $\myprop$ cumulativity similar to the ones for
+$\mytyp$, we will have (with the conversion rule reproduced as a
+reminder):
+\begin{center}
+  \begin{tabular}{cc}
+    \AxiomC{$\myctx \vdash \mytya \mycumul \mytyb$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya}$}
+    \BinaryInfC{$\myjud{\mytmt}{\mytyb}$}
+    \DisplayProof
+    &
+    \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+    \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp_l}$}
+    \BinaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytya}{\mytyp_{l}}{\mytyb}{\mytyp_{l}}}{\myprop_l}$}
+    \DisplayProof
+  \end{tabular}
+
+  \myderivspp
+
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmm}{\mytya}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytya}{\mytyp_l}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmn}{\mytyb}$}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytyb}{\mytyp_l}$}
+  \AxiomC{$\mytya$ and $\mytyb$ are not $\mytyp_{l'}$}
+  \QuinaryInfC{$\myjud{\myjm{\mytmm}{\mytya}{\mytmm}{\mytya}}{\myprop_l}$}
+  \DisplayProof
+\end{center}
+
+That is, we are small when we can (type equalities) and large otherwise.
+This would not work in a non-cumulative theory because subject reduction
+would not hold.  Consider for instance
+\[
+  \myjm{\mynat}{\myITE{\mytrue}{\mytyp_0}{\mytyp_0}}{\mybool}{\myITE{\mytrue}{\mytyp_0}{\mytyp_0}}
+  : \myprop_1
+\]
+which reduces to
+\[\myjm{\mynat}{\mytyp_0}{\mybool}{\mytyp_0} : \myprop_0 \]
+We need members of $\myprop_0$ to be members of $\myprop_1$ too, which
+will be the case with cumulativity.  This buys us a cheap type level
+equality without having to replicate functionality with a dedicated
+construct.
+
+\subsubsection{Quotation and definitional equality}
+\label{sec:kant-irr}
+
+Now we can give an account of definitional equality, by explaining how
+to perform quotation (as defined in Section \ref{sec:eta-expand})
+towards the goal described in Section \ref{sec:ott-quot}.
+
+We want to:
+\begin{itemize}
+\item Perform $\eta$-expansion on functions and records.
+
+\item As a consequence of the previous point, identify all records with
+no projections as equal, since they will have only one element.
+
+\item Identify all members of types with no constructors (and thus no
+  elements) as equal.
+
+\item Identify all equivalent proofs as equal---with `equivalent proof'
+we mean those proving the same propositions.
+
+\item Advance coercions working across definitionally equal types.
+\end{itemize}
+Towards these goals and following the intuition between bidirectional
+type checking we define two mutually recursive functions, one quoting
+canonical terms against their types (since we need the type to type check
+canonical terms), one quoting neutral terms while recovering their
+types.
+\begin{mydef}[Quotation for \mykant]
+The full procedure for quotation is shown in Figure
+\ref{fig:kant-quot}.
+\end{mydef}
+We $\boxed{\text{box}}$ the neutral proofs and
+neutral members of empty types, following the notation in
+\cite{Altenkirch2007}, and we make use of $\mydefeq_{\mybox}$ which
+compares terms syntactically up to $\alpha$-renaming, but also up to
+equivalent proofs: we consider all boxed content as equal.
+
+Our quotation will work on normalised terms, so that all defined values
+will have been replaced.  Moreover, we match on data type eliminators
+and all their arguments, so that $\mynat.\myfun{elim} \myappsp \mytmm
+\myappsp \myse{P} \myappsp \vec{\mytmn}$ will stand for
+$\mynat.\myfun{elim}$ applied to the scrutinised $\mynat$, the
+predicate, and the two cases.  This measure can be easily implemented by
+checking the head of applications and `consuming' the needed terms.
+Thus, we gain proof irrelevance, and not only for a more useful
+definitional equality, but also for example to eliminate all
+propositional content when compiling.
+
+\begin{figure}[t]
+  \mydesc{canonical quotation:}{\mycanquot(\myctx, \mytmsyn : \mytmsyn) \mymetagoes \mytmsyn}{
+    \small
+    $
+    \begin{array}{@{}l@{}l}
+      \mycanquot(\myctx,\ \mytmt : \mytyc{D} \myappsp \vec{A} &) \mymetaguard \mymeta{empty}(\myctx, \mytyc{D}) \mymetagoes \boxed{\mytmt} \\
+      \mycanquot(\myctx,\ \mytmt : \mytyc{D} \myappsp \vec{A} &) \mymetaguard \mymeta{record}(\myctx, \mytyc{D}) \mymetagoes 
+     \mytyc{D}.\mydc{constr} \myappsp \cdots \myappsp \mycanquot(\myctx, \mytyc{D}.\myfun{f}_n : (\myctx(\mytyc{D}.\myfun{f}_n))(\vec{A};\mytmt)) \\
+      \mycanquot(\myctx,\ \mytyc{D}.\mydc{c} \myappsp \vec{t} : \mytyc{D} \myappsp \vec{A} &) \mymetagoes \cdots \\
+      \mycanquot(\myctx,\ \myse{f} : \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb} &) \mymetagoes \myabs{\myb{x}}{\mycanquot(\myctx; \myb{x} : \mytya, \myapp{\myse{f}}{\myb{x}} : \mytyb)} \\
+      \mycanquot(\myctx,\ \myse{p} : \myprdec{\myse{P}} &) \mymetagoes \boxed{\myse{p}}
+     \\
+    \mycanquot(\myctx,\ \mytmt : \mytya &) \mymetagoes \mytmt'\ \text{\textbf{where}}\ \mytmt' : \myarg = \myneuquot(\myctx, \mytmt)
+    \end{array}
+    $
+  }
+
+  \mynegder
+
+  \mydesc{neutral quotation:}{\myneuquot(\myctx, \mytmsyn) \mymetagoes \mytmsyn : \mytmsyn}{
+    \small
+    $
+    \begin{array}{@{}l@{}l}
+      \myneuquot(\myctx,\ \myb{x} &) \mymetagoes \myb{x} : \myctx(\myb{x}) \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \mytyp  &) \mymetagoes \mytyp : \mytyp \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb} & ) \mymetagoes
+       \myfora{\myb{x}}{\myneuquot(\myctx, \mytya)}{\myneuquot(\myctx; \myb{x} : \mytya, \mytyb)} : \mytyp \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \mytyc{D} \myappsp \vec{A} &) \mymetagoes \mytyc{D} \myappsp \cdots \mycanquot(\myctx, \mymeta{head}((\myctx(\mytyc{D}))(\mytya_1 \cdots \mytya_{n-1}))) : \mytyp \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \myprdec{\myjm{\mytmm}{\mytya}{\mytmn}{\mytyb}} &) \mymetagoes \\
+      \multicolumn{2}{l}{\myind{2}\myprdec{\myjm{\mycanquot(\myctx, \mytmm : \mytya)}{\mytya'}{\mycanquot(\myctx, \mytmn : \mytyb)}{\mytyb'}} : \mytyp} \\
+      \multicolumn{2}{@{}l}{\myind{2}\text{\textbf{where}}\ \mytya' : \myarg = \myneuquot(\myctx, \mytya)} \\
+      \multicolumn{2}{@{}l}{\myind{2}\phantom{\text{\textbf{where}}}\ \mytyb' : \myarg = \myneuquot(\myctx, \mytyb)} \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \mytyc{D}.\myfun{f} \myappsp \mytmt &) \mymetaguard \mymeta{record}(\myctx, \mytyc{D}) \mymetagoes \mytyc{D}.\myfun{f} \myappsp \mytmt' : (\myctx(\mytyc{D}.\myfun{f}))(\vec{A};\mytmt) \\
+      \multicolumn{2}{@{}l}{\myind{2}\text{\textbf{where}}\ \mytmt' : \mytyc{D} \myappsp \vec{A} = \myneuquot(\myctx, \mytmt)} \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \mytmt \myappsp \myse{P} &) \mymetaguard \mymeta{empty}(\myctx, \mytyc{D}) \mymetagoes \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \boxed{\mytmt} \myappsp \myneuquot(\myctx, \myse{P}) : \myse{P} \myappsp \mytmt \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \mytmm \myappsp \myse{P} \myappsp \vec{\mytmn} &) \mymetagoes \mytyc{D}.\myfun{elim} \myappsp \mytmm' \myappsp \myneuquot(\myctx, \myse{P}) \cdots : \myse{P} \myappsp \mytmm\\
+      \multicolumn{2}{@{}l}{\myind{2}\text{\textbf{where}}\ \mytmm' : \mytyc{D} \myappsp \vec{A} = \myneuquot(\myctx, \mytmm)} \\
+      \myneuquot(\myctx,\ \myapp{\myse{f}}{\mytmt} &) \mymetagoes \myapp{\myse{f'}}{\mycanquot(\myctx, \mytmt : \mytya)} : \mysub{\mytyb}{\myb{x}}{\mytmt} \\
+      \multicolumn{2}{@{}l}{\myind{2}\text{\textbf{where}}\ \myse{f'} : \myfora{\myb{x}}{\mytya}{\mytyb} = \myneuquot(\myctx, \myse{f})} \\
+       \myneuquot(\myctx,\ \mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{Q}}{\mytmt} &) \mymetaguard \myneuquot(\myctx, \mytya) \mydefeq_{\mybox} \myneuquot(\myctx, \mytyb) \mymetagoes \myneuquot(\myctx, \mytmt) \\
+\myneuquot(\myctx,\ \mycoee{\mytya}{\mytyb}{\myse{Q}}{\mytmt} &) \mymetagoes
+       \mycoee{\myneuquot(\myctx, \mytya)}{\myneuquot(\myctx, \mytyb)}{\boxed{\myse{Q}}}{\myneuquot(\myctx, \mytmt)}
+    \end{array}
+    $
+  }
+  \caption{Quotation in \mykant.  Along the already used
+    $\mymeta{record}$ meta-operation on the context we make use of
+    $\mymeta{empty}$, which checks if a certain type constructor has
+    zero data constructor.  The `data constructor' cases for non-record,
+    non-empty, data types are omitted for brevity.}
+  \label{fig:kant-quot}
+\end{figure}
+
+\subsubsection{Why $\myprop$?}
+
+It is worth to ask if $\myprop$ is needed at all.  It is perfectly
+possible to have the type checker identify propositional types
+automatically, and in fact in some sense we already do during equality
+reduction and quotation.  However, this has the considerable
+disadvantage that we can never identify abstracted
+variables\footnote{And in general neutral terms, although we currently
+  do not have neutral propositions apart from equalities on neutral
+  terms.} of type $\mytyp$ as $\myprop$, thus forbidding the user to
+talk about $\myprop$ explicitly.
+
+This is a considerable impediment, for example when implementing
+\emph{quotient types}.  With quotients, we let the user specify an
+equivalence class over a certain type, and then exploit this in various
+way---crucially, we need to be sure that the equivalence given is
+propositional, a fact which prevented the use of quotients in dependent
+type theories \citep{Jacobs1994}.
+
+\section{\mykant : the practice}
+\label{sec:kant-practice}
+
+\epigraph{\emph{It's alive!}}{Henry Frankenstein}
+
+The codebase consists of around 2500 lines of Haskell,\footnote{The full
+  source code is available under the GPL3 license at
+  \url{https://github.com/bitonic/kant}.  `Kant' was a previous
+  incarnation of the software, and the name remained.} as reported by
+the \texttt{cloc} utility.
+
+We implement the type theory as described in Section
+\ref{sec:kant-theory}.  The author learnt the hard way the
+implementation challenges for such a project, and ran out of time while
+implementing observational equality.  While the constructs and typing
+rules are present, the machinery to make it happen (equality reduction,
+coercions, quotation, etc.) is not present yet.
+
+This considered, everything else presented in Section
+\ref{sec:kant-theory} is implemented and working well---and in fact all
+the examples presented in this thesis, apart from the ones that are
+equality related, have been encoded in \mykant\ in the Appendix.
+Moreover, given the detailed plan in the previous section, finishing off
+should not prove too much work.
+
+The interaction with the user takes place in a loop living in and
+updating a context of \mykant\ declarations, which presents itself as in
+Figure \ref{fig:kant-web}.  Files with lists of declarations can also be
+loaded. The REPL is a available both as a command-line application and in
+a web interface, which is available at \url{bertus.mazzo.li}.
+
+A REPL cycle starts with the user inputting a \mykant\
+declaration or another REPL command, which then goes through various
+stages that can end up in a context update, or in failures of various
+kind.  The process is described diagrammatically in figure
+\ref{fig:kant-process}.
+
+\begin{figure}[b!]
+{\small\begin{Verbatim}[frame=leftline,xleftmargin=3cm]
+B E R T U S
+Version 0.0, made in London, year 2013.
+>>> :h
+<decl>     Declare value/data type/record
+:t <term>  Typecheck
+:e <term>  Normalise
+:p <term>  Pretty print
+:l <file>  Load file
+:r <file>  Reload file (erases previous environment)
+:i <name>  Info about an identifier
+:q         Quit
+>>> :l data/samples/good/common.ka 
+OK
+>>> :e plus three two
+suc (suc (suc (suc (suc zero))))
+>>> :t plus three two
+Type: Nat
+\end{Verbatim}
+}
+
+  \caption{A sample run of the \mykant\ prompt.}
+  \label{fig:kant-web}
+\end{figure}
+
+
+\begin{description}
+
+\item[Parse] In this phase the text input gets converted to a sugared
+  version of the core language.  For example, we accept multiple
+  arguments in arrow types and abstractions, and we represent variables
+  with names, while as we will see in Section \ref{sec:term-repr} the
+  final term types uses a \emph{nameless} representation.
+
+\item[Desugar] The sugared declaration is converted to a core term.
+  Most notably we go from names to nameless.
+
+\item[ConDestr] Short for `Constructors/Destructors', converts
+  applications of data destructors and constructors to a special form,
+  to perform bidirectional type checking.
+
+\item[Reference] Occurrences of $\mytyp$ get decorated by a unique reference,
+  which is necessary to implement the type hierarchy check.
+
+\item[Elaborate/Typecheck/Evaluate] \textbf{Elaboration} converts the
+  declaration to some context items, which might be a value declaration
+  (type and body) or a data type declaration (constructors and
+  destructors).  This phase works in tandem with \textbf{Type checking},
+  which in turns needs to \textbf{Evaluate} terms.
+
+\item[Distill] and report the result.  `Distilling' refers to the
+  process of converting a core term back to a sugared version that we
+  can show to the user.  This can be necessary both to display errors
+  including terms or to display result of evaluations or type checking
+  that the user has requested.  Among the other things in this stage we
+  go from nameless back to names by recycling the names that the user
+  used originally, as to fabricate a term which is as close as possible
+  to what it originated from.
+
+\item[Pretty print] Format the terms in a nice way, and display them to
+  the user.
+
+\end{description}
+
+\begin{figure}
+  \centering{\mysmall
+    \tikzstyle{block} = [rectangle, draw, text width=5em, text centered, rounded
+    corners, minimum height=2.5em, node distance=0.7cm]
+      
+      \tikzstyle{decision} = [diamond, draw, text width=4.5em, text badly
+      centered, inner sep=0pt, node distance=0.7cm]
+      
+      \tikzstyle{line} = [draw, -latex']
+      
+      \tikzstyle{cloud} = [draw, ellipse, minimum height=2em, text width=5em, text
+      centered, node distance=1.5cm]
+      
+      
+      \begin{tikzpicture}[auto]
+        \node [cloud] (user) {User};
+        \node [block, below left=1cm and 0.1cm of user] (parse) {Parse};
+        \node [block, below=of parse] (desugar) {Desugar};
+        \node [block, below=of desugar] (condestr) {ConDestr};
+        \node [block, below=of condestr] (reference) {Reference};
+        \node [block, below=of reference] (elaborate) {Elaborate};
+        \node [block, left=of elaborate] (tycheck) {Typecheck};
+        \node [block, left=of tycheck] (evaluate) {Evaluate};
+        \node [decision, right=of elaborate] (error) {Error?};
+        \node [block, right=of parse] (pretty) {Pretty print};
+        \node [block, below=of pretty] (distill) {Distill};
+        \node [block, below=of distill] (update) {Update context};
+        
+        \path [line] (user) -- (parse);
+        \path [line] (parse) -- (desugar);
+        \path [line] (desugar) -- (condestr);
+        \path [line] (condestr) -- (reference);
+        \path [line] (reference) -- (elaborate);
+        \path [line] (elaborate) edge[bend right] (tycheck);
+        \path [line] (tycheck) edge[bend right] (elaborate);
+        \path [line] (elaborate) -- (error);
+        \path [line] (error) edge[out=0,in=0] node [near start] {yes} (distill);
+        \path [line] (error) -- node [near start] {no} (update);
+        \path [line] (update) -- (distill);
+        \path [line] (pretty) -- (user);
+        \path [line] (distill) -- (pretty);
+        \path [line] (tycheck) edge[bend right] (evaluate);
+        \path [line] (evaluate) edge[bend right] (tycheck);
+      \end{tikzpicture}
+  }
+  \caption{High level overview of the life of a \mykant\ prompt cycle.}
+  \label{fig:kant-process}
+\end{figure}
+
+Here we will review only a sampling of the more interesting
+implementation challenges present when implementing an interactive
+theorem prover.
+
+\subsection{Syntax}
+\label{sec:syntax}
+
+The syntax of \mykant\ is presented in Figure \ref{fig:syntax}.
+Examples showing the usage of most of the constructs---excluding the
+OTT-related ones---are present in Appendices \ref{app:kant-itt},
+\ref{app:kant-examples}, and \ref{app:hurkens}; plus a tutorial in
+Section \ref{sec:type-holes}.  The syntax has grown organically with the
+needs of the language, and thus is not very sophisticated.  The grammar
+is specified in and processed by the \texttt{happy} parser generator for
+Haskell.\footnote{Available at \url{http://www.haskell.org/happy}.}
+Tokenisation is performed by a simple hand written lexer.
+
+\begin{figure}[p]
+  \centering
+  $
+  \begin{array}{@{\ \ }l@{\ }c@{\ }l}
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{A name, in regexp notation.}} \\
+    \mysee{name}   & ::= & \texttt{[a-zA-Z] [a-zA-Z0-9'\_-]*} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{A binder might or might not (\texttt{\_}) bind a name.}} \\
+    \mysee{binder} & ::= & \mytermi{\_} \mysynsep \mysee{name} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{A series of typed bindings.}} \\
+    \mysee{telescope}\, \ \ \  & ::= & (\mytermi{[}\ \mysee{binder}\ \mytermi{:}\ \mysee{term}\ \mytermi{]}){*} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Terms, including propositions.}} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{
+      \begin{array}{@{\ \ }l@{\ }c@{\ }l@{\ \ \ \ \ }l}
+    \mysee{term} & ::= & \mysee{name} & \text{A variable.} \\
+                 &  |  & \mytermi{*}  & \text{\mytyc{Type}.} \\
+                 &  |  & \mytermi{\{|}\ \mysee{term}{*}\ \mytermi{|\}} & \text{Type holes.} \\
+                 &  |  & \mytermi{Prop} & \text{\mytyc{Prop}.} \\
+                 &  |  & \mytermi{Top} \mysynsep \mytermi{Bot} & \text{$\mytop$ and $\mybot$.} \\
+                 &  |  & \mysee{term}\ \mytermi{/\textbackslash}\ \mysee{term} & \text{Conjuctions.} \\
+                 &  |  & \mytermi{[|}\ \mysee{term}\ \mytermi{|]} & \text{Proposition decoding.} \\
+                 &  |  & \mytermi{coe}\ \mysee{term}\ \mysee{term}\ \mysee{term}\ \mysee{term} & \text{Coercion.} \\
+                 &  |  & \mytermi{coh}\ \mysee{term}\ \mysee{term}\ \mysee{term}\ \mysee{term} & \text{Coherence.} \\
+                 &  | & \mytermi{(}\ \mysee{term}\ \mytermi{:}\ \mysee{term}\ \mytermi{)}\ \mytermi{=}\ \mytermi{(}\ \mysee{term}\ \mytermi{:}\ \mysee{term}\ \mytermi{)} & \text{Heterogeneous equality.} \\
+                 &  |  & \mytermi{(}\ \mysee{compound}\ \mytermi{)} & \text{Parenthesised term.} \\
+      \mysee{compound} & ::= & \mytermi{\textbackslash}\ \mysee{binder}{*}\ \mytermi{=>}\ \mysee{term} & \text{Untyped abstraction.} \\
+                       &  |  & \mytermi{\textbackslash}\ \mysee{telescope}\ \mytermi{:}\ \mysee{term}\ \mytermi{=>}\ \mysee{term} & \text{Typed abstraction.} \\
+                 &  | & \mytermi{forall}\ \mysee{telescope}\ \mysee{term} & \text{Universal quantification.} \\
+                 &  | & \mysee{arr} \\
+       \mysee{arr}    & ::= & \mysee{telescope}\ \mytermi{->}\ \mysee{arr} & \text{Dependent function.} \\
+                      &  |  & \mysee{term}\ \mytermi{->}\ \mysee{arr} & \text{Non-dependent function.} \\
+                      &  |  & \mysee{term}{+} & \text {Application.}
+      \end{array}
+    } \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Typed names.}} \\
+    \mysee{typed} & ::= & \mysee{name}\ \mytermi{:}\ \mysee{term} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Declarations.}} \\
+    \mysee{decl}& ::= & \mysee{value} \mysynsep \mysee{abstract} \mysynsep \mysee{data} \mysynsep \mysee{record} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Defined values.  The telescope specifies named arguments.}} \\
+    \mysee{value} & ::= & \mysee{name}\ \mysee{telescope}\ \mytermi{:}\ \mysee{term}\ \mytermi{=>}\ \mysee{term} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Abstracted variables.}} \\
+    \mysee{abstract} & ::= & \mytermi{postulate}\ \mysee{typed} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Data types, and their constructors.}} \\
+    \mysee{data} & ::= & \mytermi{data}\ \mysee{name}\ \mysee{telescope}\ \mytermi{->}\ \mytermi{*}\ \mytermi{=>}\ \mytermi{\{}\ \mysee{constrs}\ \mytermi{\}} \\
+    \mysee{constrs} & ::= & \mysee{typed} \\
+                   &  |  & \mysee{typed}\ \mytermi{|}\ \mysee{constrs} \\
+    \multicolumn{3}{@{}l}{\text{Records, and their projections.  The $\mysee{name}$ before the projections is the constructor name.}} \\
+    \mysee{record} & ::= & \mytermi{record}\ \mysee{name}\ \mysee{telescope}\ \mytermi{->}\ \mytermi{*}\ \mytermi{=>}\ \mysee{name}\ \mytermi{\{}\ \mysee{projs}\ \mytermi{\}} \\
+    \mysee{projs} & ::= & \mysee{typed} \\
+                   &  |  & \mysee{typed}\ \mytermi{,}\ \mysee{projs}
+  \end{array}
+  $
+
+  \caption{\mykant' syntax.  The non-terminals are marked with
+    $\langle\text{angle brackets}\rangle$ for greater clarity.  The
+    syntax in the implementation is actually more liberal, for example
+    giving the possibility of using arrow types directly in
+    constructor/projection declarations.\\
+    Additionally, we give the user the possibility of using Unicode
+    characters instead of their ASCII counterparts, e.g. \texttt{→} in
+    place of \texttt{->}, \texttt{λ} in place of
+    \texttt{\textbackslash}, etc.}
+  \label{fig:syntax}
+\end{figure}
+
+\subsection{Term representation}
+\label{sec:term-repr}
+
+\subsubsection{Naming and substituting}
+
+Perhaps surprisingly, one of the most difficult challenges in
+implementing a theory of the kind presented is choosing a good data type
+for terms, and specifically handling substitutions in a sane way.
+
+There are two broad schools of thought when it comes to naming
+variables, and thus substituting:
+\begin{description}
+\item[Nameful] Bound variables are represented by some enumerable data
+  type, just as we have described up to now, starting from Section
+  \ref{sec:untyped}.  The problem is that avoiding name capturing is a
+  nightmare, both in the sense that it is not performant---given that we
+  need to rename rename substitute each time we `enter' a binder---but
+  most importantly given the fact that in even slightly more complicated
+  systems it is very hard to get right, even for experts.
+
+  One of the sore spots of explicit names is comparing terms up to
+  $\alpha$-renaming, which again generates a huge amounts of
+  substitutions and requires special care.  
+
+\item[Nameless] We can capture the relationship between variables and
+  their binders, by getting rid of names altogether, and representing
+  bound variables with an index referring to the `binding' structure, a
+  notion introduced by \cite{de1972lambda}.  Usually $0$ represents the
+  variable bound by the innermost binding structure, $1$ the
+  second-innermost, and so on.  For instance with simple abstractions we
+  might have
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+  \mymacol{red}{\lambda}\, (\mymacol{blue}{\lambda}\, \mymacol{blue}{0}\, (\mymacol{AgdaInductiveConstructor}{\lambda\, 0}))\, (\mymacol{AgdaFunction}{\lambda}\, \mymacol{red}{1}\, \mymacol{AgdaFunction}{0}) : ((\mytya \myarr \mytya) \myarr \mytyb) \myarr \mytyb\text{, which corresponds to} \\
+  \myabs{\myb{f}}{(\myabs{\myb{g}}{\myapp{\myb{g}}{(\myabs{\myb{x}}{\myb{x}})}}) \myappsp (\myabs{\myb{x}}{\myapp{\myb{f}}{\myb{x}}})} : ((\mytya \myarr \mytya) \myarr \mytyb) \myarr \mytyb
+  \end{array}
+  \]
+
+  While this technique is obviously terrible in terms of human
+  usability,\footnote{With some people going as far as defining it akin
+  to an inverse Turing test.} it is much more convenient as an
+  internal representation to deal with terms mechanically---at least in
+  simple cases.  $\alpha$-renaming ceases to be an issue, and
+  term comparison is purely syntactical.
+
+  Nonetheless, more complex constructs such as pattern matching put
+  some strain on the indices and many systems end up using explicit
+  names anyway.
+
+\end{description}
+
+In the past decade or so advancements in the Haskell's type system and
+in general the spread new programming practices have made the nameless
+option much more amenable.  \mykant\ thus takes the nameless path
+through the use of Edward Kmett's excellent \texttt{bound}
+library.\footnote{Available at
+  \url{http://hackage.haskell.org/package/bound}.}  We describe the
+advantages of \texttt{bound}'s approach, but also its pitfalls in the
+previously relatively unknown territory of dependent
+types---\texttt{bound} being created mostly to handle more simply typed
+systems.
+
+  \texttt{bound} builds on the work of \cite{Bird1999}, who suggested to
+  parametrising the term type over the type of the variables, and `nest'
+  the type each time we enter a scope.  If we wanted to define a term
+  for the untyped $\lambda$-calculus, we might have
+\begin{Verbatim}
+-- A type with no members.
+data Empty
+
+data Var v = Bound | Free v
+
+data Tm v
+    = V v               -- Bound variable
+    | App (Tm v) (Tm v) -- Term application
+    | Lam (Tm (Var v))  -- Abstraction
+\end{Verbatim}
+Closed terms would be of type \texttt{Tm Empty}, so that there would be
+no occurrences of \texttt{V}.  However, inside an abstraction, we can
+have \texttt{V Bound}, representing the bound variable, and inside a
+second abstraction we can have \texttt{V Bound} or \texttt{V (Free
+Bound)}.  Thus the term
+\[\myabs{\myb{x}}{\myabs{\myb{y}}{\myb{x}}}\]
+can be represented as
+\begin{Verbatim}
+-- The top level term is of type `Tm Empty'.
+-- The inner term `Lam (Free Bound)' is of type `Tm (Var Empty)'.
+-- The second inner term `V (Free Bound)' is of type `Tm (Var (Var
+-- Empty))'.
+Lam (Lam (V (Free Bound)))
+\end{Verbatim}
+This allows us to reflect the `nestedness' of a type at the type level,
+and since we usually work with functions polymorphic on the parameter
+\texttt{v} it's very hard to make mistakes by putting terms of the wrong
+nestedness where they do not belong.
+
+Even more interestingly, the substitution operation is perfectly
+captured by the \verb|>>=| (bind) operator of the \texttt{Monad}
+type class:
+\begin{Verbatim}
+class Monad m where
+  return :: m a
+  (>>=)  :: m a -> (a -> m b) -> m b
+
+instance Monad Tm where
+  -- `return'ing turns a variable into a `Tm'
+  return = V
+
+  -- `t >>= f' takes a term `t' and a mapping from variables to terms
+  -- `f' and applies `f' to all the variables in `t', replacing them
+  -- with the mapped terms.
+  V v     >>= f = f v
+  App m n >>= f = App (m >>= f) (n >>= f)
+
+  -- `Lam' is the tricky case: we modify the function to work with bound
+  -- variables, so that if it encounters `Bound' it leaves it untouched
+  -- (since the mapping refers to the outer scope); if it encounters a
+  -- free variable it asks `f' for the term and then updates all the
+  -- variables to make them refer to the outer scope they were meant to
+  -- be in.
+  Lam s   >>= f = Lam (s >>= bump)
+    where bump Bound    = return Bound
+          bump (Free v) = f v >>= V . Free
+\end{Verbatim}
+With this in mind, we can define functions which will not only work on
+\verb|Tm|, but on any \verb|Monad|!
+\begin{Verbatim}
+-- Replaces free variable `v' with `m' in `n'.
+subst :: (Eq v, Monad m) => v -> m v -> m v -> m v
+subst v m n = n >>= \v' -> if v == v' then m else return v'
+
+-- Replace the variable bound by `s' with term `t'.
+inst :: Monad m => m v -> m (Var v) -> m v
+inst t s = s >>= \v -> case v of
+                           Bound   -> t
+                           Free v' -> return v'
+\end{Verbatim}
+The beauty of this technique is that with a few simple functions we have
+defined all the core operations in a general and `obviously correct'
+way, with the extra confidence of having the type checker looking our
+back.  For what concerns term equality, we can just ask the H Haskell
+compiler to derive the instance for the \verb|Eq| type class and since
+we are nameless that will be enough (modulo fancy quotation).
+
+Moreover, if we take the top level term type to be \verb|Tm String|, we
+get a representation of terms with top-level definitions; where closed
+terms contain only \verb|String| references to said definitions---see
+also \cite{McBride2004b}.
+
+What are then the pitfalls of this seemingly invincible technique?  The
+most obvious impediment is the need for polymorphic recursion.
+Functions traversing terms parameterized by the variable type will have
+types such as
+\begin{Verbatim}
+-- Infer the type of a term, or return an error.
+infer :: Tm v -> Either Error (Tm v)
+\end{Verbatim}
+When traversing under a \verb|Scope| the parameter changes from \verb|v|
+to \verb|Var v|, and thus if we do not specify the type for our function explicitly
+inference will fail---type inference for polymorphic recursion being
+undecidable \citep{henglein1993type}.  This causes some annoyance,
+especially in the presence of many local definitions that we would like
+to leave untyped.
+
+But the real issue is the fact that giving a type parameterized over a
+variable---say \verb|m v|---a \verb|Monad| instance means being able to
+only substitute variables for values of type \verb|m v|.  This is a
+considerable inconvenience.  Consider for instance the case of
+telescopes, which are a central tool to deal with contexts and other
+constructs.  In Haskell we can give them a faithful representation
+with a data type along the lines of
+\begin{Verbatim}
+data Tele m v = Empty (m v) | Bind (m v) (Tele m (Var v))
+type TeleTm = Tele Tm
+\end{Verbatim}
+The problem here is that what we want to substitute for variables in
+\verb|Tele m v| is \verb|m v| (probably \verb|Tm v|), not \verb|Tele m v| itself!  What we need is
+\begin{Verbatim}
+bindTele  :: Monad m => Tele m a -> (a -> m b) -> Tele m b
+substTele :: (Eq v, Monad m) => v -> m v -> Tele m v -> Tele m v
+instTele  :: Monad m => m v -> Tele m (Var v) -> Tele m v
+\end{Verbatim}
+Not what \verb|Monad| gives us.  Solving this issue in an elegant way
+has been a major sink of time and source of headaches for the author,
+who analysed some of the alternatives---most notably the work by
+\cite{weirich2011binders}---but found it impossible to give up the
+simplicity of the model above.
+
+That said, our term type is still reasonably brief, as shown in full in
+Appendix \ref{app:termrep}.  The fact that propositions cannot be
+factored out in another data type is an instance of the problem
+described above.  However the real pain is during elaboration, where we
+are forced to treat everything as a type while we would much rather have
+telescopes.  Future work would include writing a library that marries
+more flexibility with a nice interface similar to the one of
+\verb|bound|.
+
+We also make use of a `forgetful' data type (as provided by
+\verb|bound|) to store user-provided variables names along with the
+`nameless' representation, so that the names will not be considered when
+compared terms, but will be available when distilling so that we can
+recover variable names that are as close as possible to what the user
+originally used.
+
+\subsubsection{Evaluation}
+
+Another source of contention related to term representation is dealing
+with evaluation.  Here \mykant\ does not make bold moves, and simply
+employs substitution.  When type checking we match types by reducing
+them to their weak head normal form, as to avoid unnecessary evaluation.
+
+We treat data types eliminators and record projections in an uniform
+way, by elaborating declarations in a series of \emph{rewriting rules}:
+\begin{Verbatim}
+type Rewr =
+    forall v.
+    Tm v   ->    -- Term to which the destructor is applied
+    [Tm v] ->    -- List of other arguments
+    -- The result of the rewriting, if the eliminator reduces.
+    Maybe [Tm v]
+\end{Verbatim}
+A rewriting rule is polymorphic in the variable type, guaranteeing that
+it just pattern matches on terms structure and rearranges them in some
+way, and making it possible to apply it at any level in the term.  When
+reducing a series of applications we match the first term and check if
+it is a destructor, and if that's the case we apply the reduction rule
+and reduce further if it yields a new list of terms.
+
+This has the advantage of simplicity, at the expense of being quite poor
+in terms of performance and that we need to do quotation manually.  An
+alternative that solves both of these is the already mentioned
+\emph{normalisation by evaluation}, where we would compute by turning
+terms into Haskell values, and then reify back to terms to compare
+them---a useful tutorial on this technique is given by \cite{Loh2010}.
+
+However, quotation has its disadvantages.  The most obvious one is that
+it is less simple: we need to set up some infrastructure to handle the
+quotation and reification, while with substitution we have a uniform
+representation through the process of type checking.  The second is that
+performance advantages can be rendered less effective by the continuous
+quoting and reifying, although this can probably be mitigated with some
+heuristics.
+
+\subsubsection{Parameterize everything!}
+\label{sec:parame}
+
+Through the life of a REPL cycle we need to execute two broad
+`effectful' actions:
+\begin{itemize}
+\item Retrieve, add, and modify elements to an environment.  The
+  environment will contain not only types, but also the rewriting rules
+  presented in the previous section, and a counter to generate fresh
+  references for the type hierarchy.
+
+\item Throw various kinds of errors when something goes wrong: parsing,
+  type checking, input/output error when reading files, and more.
+\end{itemize}
+Haskell taught us the value of monads in programming languages, and in
+\mykant\ we keep this lesson in mind.  All of the plumbing required to do
+the two actions above is provided by a very general \emph{monad
+  transformer} that we use through the codebase, \texttt{KMonadT}:
+\begin{Verbatim}
+newtype KMonad f v m a = KMonad (StateT (f v) (ErrorT KError m) a)
+
+data KError
+    = OutOfBounds Id
+    | DuplicateName Id
+    | IOError IOError
+    | ...
+\end{Verbatim}
+Without delving into the details of what a monad transformer
+is,\footnote{See
+  \url{https://en.wikibooks.org/wiki/Haskell/Monad_transformers.}} this
+is what \texttt{KMonadT} works with and provides:
+\begin{itemize}
+\item The \verb|v| parameter represents the parameterized variable for
+  the term type that we spoke about at the beginning of this section.
+  More on this later.
+
+\item The \verb|f| parameter indicates what kind of environment we are
+  holding.  Sometimes we want to traverse terms without carrying the
+  entire environment, for various reasons---\texttt{KMonatT} lets us do
+  that.  Note that \verb|f| is itself parameterized over \verb|v|.  The
+  inner \verb|StateT| monad transformer lets us retrieve and modify this
+  environment at any time.
+
+\item The \verb|m| is the `inner' monad that we can `plug in' to be able
+  to perform more effectful actions in \texttt{KMonatT}.  For example if we
+  plug the \texttt{IO} monad in, we will be able to do input/output.
+
+\item The inner \verb|ErrorT| lets us throw errors at any time.  The
+  error type is \verb|KError|, which describes all the possible errors
+  that a \mykant\ process can throw.
+
+\item Finally, the \verb|a| parameter represents the return type of the
+  computation we are executing.
+\end{itemize}
+
+The clever trick in \texttt{KMonadT} is to have it to be parametrised
+over the same type as the term type.  This way, we can easily carry the
+environment while traversing under binders.  For example, if we only
+needed to carry types of bound variables in the environment, we can
+quickly set up the following infrastructure:
+\begin{Verbatim}
+data Tm v = ...
+
+-- A context is a mapping from variables to types.
+newtype Ctx v = Ctx (v -> Tm v)
+
+-- A context monad holds a context.
+type CtxMonad v m = KMonadT Ctx v m
+
+-- Enter into a scope binding a type to the variable, execute a
+-- computation there, and return exit the scope returning to the `current'
+-- context.
+nestM :: Monad m => Tm v -> CtxMonad (Var v) m a -> CtxMonad v m a
+nestM = ...
+\end{Verbatim}
+Again, the types guard our back guaranteeing that we add a type when we
+enter a scope, and we discharge it when we get out.  The author
+originally started with a more traditional representation and often
+forgot to add the right variable at the right moment.  Using this
+practices it is very difficult to do so---we achieve correctness through
+types.
+
+In the actual \mykant\ codebase, we have also abstracted the concept of
+`context' further, so that we can easily embed contexts into other
+structures and write generic operations on all context-like
+structures.\footnote{See the \texttt{Kant.Cursor} module for details.}
+
+\subsection{Turning a hierarchy into some graphs}
+\label{sec:hier-impl}
+
+In this section we will explain how to implement the typical ambiguity
+we have spoken about in \ref{sec:term-hierarchy} efficiently, a subject
+which is often dismissed in the literature.  As mentioned, we have to
+verify a the consistency of a set of constraints each time we add a new
+one.  The constraints range over some set of variables whose members we
+will denote with $x, y, z, \dots$.  and are of two kinds:
+\begin{center}
+  \begin{tabular}{cc}
+     $x \le y$ & $x < y$
+  \end{tabular}
+\end{center}
+
+Predictably, $\le$ expresses a reflexive order, and $<$ expresses an
+irreflexive order, both working with the same notion of equality, where
+$x < y$ implies $x \le y$---they behave like $\le$ and $<$ do for natural
+numbers (or in our case, levels in a type hierarchy).  We also need an
+equality constraint ($x = y$), which can be reduced to two constraints
+$x \le y$ and $y \le x$.
+
+Given this specification, we have implemented a standalone Haskell
+module---that we plan to release as a library---to efficiently store and
+check the consistency of constraints.  The problem predictably reduces
+to a graph algorithm, and for this reason we also implement a library
+for labelled graphs, since the existing Haskell graph libraries fell
+short in different areas.\footnote{We tried the \texttt{Data.Graph}
+  module in \url{http://hackage.haskell.org/package/containers}, and the
+  much more featureful \texttt{fgl} library
+  \url{http://hackage.haskell.org/package/fgl}.}  The interfaces for
+these modules are shown in Appendix \ref{app:constraint}.  The graph
+library is implemented as a modification of the code described by
+\cite{King1995}.
+
+We represent the set by building a graph where vertices are variables,
+and edges are constraints between them, labelled with the appropriate
+constraint: $x < y$ gives rise to a $<$-labelled edge from $x$ to $y$,
+and $x \le y$ to a $\le$-labelled edge from $x$ to $y$.  As we add
+constraints, $\le$ constraints are replaced by $<$ constraints, so that
+if we started with an empty set and added
+\[
+   x < y,\ y \le z,\ z \le k,\ k < j,\ j \le y\
+\]
+it would generate the graph shown in Figure \ref{fig:graph-one-before},
+but adding $z < k$ would strengthen the edge from $z$ to $k$, as shown
+in \ref{fig:graph-one-after}.
+
+\begin{figure}[t]
+  \centering
+  \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
+    \begin{tikzpicture}[node distance=1.5cm]
+      % Place nodes
+      \node (x) {$x$};
+      \node [right of=x] (y) {$y$};
+      \node [right of=y] (z) {$z$};
+      \node [below of=z] (k) {$k$};
+      \node [left  of=k] (j) {$j$};
+      %% Lines
+      \path[->]
+      (x) edge node [above] {$<$}   (y)
+      (y) edge node [above] {$\le$} (z)
+      (z) edge node [right] {$\le$}   (k)
+      (k) edge node [below] {$\le$} (j)
+      (j) edge node [left ] {$\le$} (y);
+    \end{tikzpicture}
+    \caption{Before $z < k$.}
+    \label{fig:graph-one-before}
+  \end{subfigure}%
+  ~
+  \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
+    \begin{tikzpicture}[node distance=1.5cm]
+      % Place nodes
+      \node (x) {$x$};
+      \node [right of=x] (y) {$y$};
+      \node [right of=y] (z) {$z$};
+      \node [below of=z] (k) {$k$};
+      \node [left  of=k] (j) {$j$};
+      %% Lines
+      \path[->]
+      (x) edge node [above] {$<$}   (y)
+      (y) edge node [above] {$\le$} (z)
+      (z) edge node [right] {$<$}   (k)
+      (k) edge node [below] {$\le$} (j)
+      (j) edge node [left ] {$\le$} (y);
+    \end{tikzpicture}
+    \caption{After $z < k$.}
+    \label{fig:graph-one-after}
+  \end{subfigure}%
+  ~
+  \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
+    \begin{tikzpicture}[remember picture, node distance=1.5cm]
+      \begin{pgfonlayer}{foreground}
+      % Place nodes
+      \node (x) {$x$};
+      \node [right of=x] (y) {$y$};
+      \node [right of=y] (z) {$z$};
+      \node [below of=z] (k) {$k$};
+      \node [left  of=k] (j) {$j$};
+      %% Lines
+      \path[->]
+      (x) edge node [above] {$<$}   (y)
+      (y) edge node [above] {$\le$} (z)
+      (z) edge node [right] {$<$}   (k)
+      (k) edge node [below] {$\le$} (j)
+      (j) edge node [left ] {$\le$} (y);
+    \end{pgfonlayer}{foreground}
+    \end{tikzpicture}
+    \begin{tikzpicture}[remember picture, overlay]
+      \begin{pgfonlayer}{background}
+      \fill [red, opacity=0.3, rounded corners]
+      (-2.7,2.6) rectangle (-0.2,0.05)
+      (-4.1,2.4) rectangle (-3.3,1.6);
+    \end{pgfonlayer}{background}
+    \end{tikzpicture}
+    \caption{SCCs.}
+    \label{fig:graph-one-scc}
+  \end{subfigure}%
+  \caption{Strong constraints overrule weak constraints.}
+  \label{fig:graph-one}
+\end{figure}
+
+\begin{mydef}[Strongly connected component]
+  A \emph{strongly connected component} in a graph with vertices $V$ is
+  a subset of $V$, say $V'$, such that for each $(v_1,v_2) \in V' \times
+  V'$ there is a path from $v_1$ to $v_2$.
+\end{mydef}
+
+The SCCs in the graph for the constraints above is shown in Figure
+\ref{fig:graph-one-scc}.  If we have a strongly connected component with
+a $<$ edge---say $x < y$---in it, we have an inconsistency, since there
+must also be a path from $y$ to $x$, and by transitivity it must either
+be the case that $y \le x$ or $y < x$, which are both at odds with $x <
+y$.
+
+Moreover, if we have a SCC with no $<$ edges, it means that all members
+of said SCC are equal, since for every $x \le y$ we have a path from $y$
+to $x$, which again by transitivity means that $y \le x$.  Thus, we can
+\emph{condense} the SCC to a single vertex, by choosing a variable among
+the SCC as a representative for all the others.  This can be done
+efficiently with disjoint set data structure, and is crucial to keep the
+graph compact, given the very large number of constraints generated when
+type checking.
+
+\subsection{(Web) REPL}
+
+Finally, we take a break from the types by giving a brief account of the
+design of our REPL, being a good example of modular design using various
+constructs dear to the Haskell programmer.
+
+Keeping in mind the \texttt{KMonadT} monad described in Section
+\ref{sec:parame}, the REPL is represented as a function in
+\texttt{KMonadT} consuming input and hopefully producing output.  Then,
+front ends can very easily written by marshalling data in and out of the
+REPL:
+\begin{Verbatim}
+data Input
+    = ITyCheck String           -- Type check a term
+    | IEval String              -- Evaluate a term
+    | IDecl String              -- Declare something
+    | ...
+
+data Output
+    = OTyCheck TmRefId [HoleCtx] -- Type checked term, with holes
+    | OPretty TmRefId            -- Term to pretty print, after evaluation
+      -- Just holes, classically after loading a file
+    | OHoles [HoleCtx]
+    | ... 
+    
+-- KMonadT is parametrised over the type of the variables, which depends
+-- on how deep in the term structure we are.  For the REPL, we only deal
+-- with top-level terms, and thus only `Id' variables---top level names.
+type REPL m = KMonadT Id m
+
+repl :: ReadFile m => Input -> REPL m Output
+repl = ...
+\end{Verbatim}
+The \texttt{ReadFile} monad embodies the only `extra' action that we
+need to have access too when running the REPL: reading files.  We could
+simply use the \texttt{IO} monad, but this will not serve us well when
+implementing front end facing untrusted parties accessing the application
+running on our servers.  In our case we expose the REPL as a web
+application, and we want the user to be able to load only from a
+pre-defined directory, not from the entire file system.
+
+For this reason we specify \texttt{ReadFile} to have just one function:
+\begin{Verbatim}
+class Monad m => ReadFile m where
+    readFile' :: FilePath -> m (Either IOError String)
+\end{Verbatim}
+While in the command-line application we will use the \texttt{IO} monad
+and have \texttt{readFile'} to work in the `obvious' way---by reading
+the file corresponding to the given file path---in the web prompt we
+will have it to accept only a file name, not a path, and read it from a
+pre-defined directory:
+\begin{Verbatim}
+-- The monad that will run the web REPL.  The `ReaderT' holds the
+-- filepath to the directory where the files loadable by the user live.
+-- The underlying `IO' monad will be used to actually read the files.
+newtype DirRead a = DirRead (ReaderT FilePath IO a)
+
+instance ReadFile DirRead where
+    readFile' fp =
+        do -- We get the base directory in the `ReaderT' with `ask'
+           dir <- DirRead ask
+           -- Is the filepath provided an unqualified file name?
+           if snd (splitFileName fp) == fp
+              -- If yes, go ahead and read the file, by lifting
+              -- `readFile'' into the IO monad
+              then DirRead (lift (readFile' (dir </> fp)))
+              -- If not, return an error
+              else return (Left (strMsg ("Invalid file name `" ++ fp ++ "'")))
+\end{Verbatim}
+Once this light-weight infrastructure is in place, adding a web
+interface was an easy exercise.  We use Jasper Van der Jeugt's
+\texttt{websockets} library\footnote{Available at
+  \url{http://hackage.haskell.org/package/websockets}.} to create a
+proxy that receives \texttt{JSON}\footnote{\texttt{JSON} is a popular data interchange
+  format, see \url{http://json.org} for more info.}  messages with the
+user input, turns them into \texttt{Input} messages for the REPL, and
+then sends back a \texttt{JSON} message with the response.  Moreover, each client
+is handled in a separate threads, so crashes of the REPL for a certain
+client will not bring the whole application down.
+
+On the front end side, we had to write some JavaScript to accept input
+from a form, and to make the responses appear on the screen.  The web
+prompt is publicly available at \url{http://bertus.mazzo.li}, a sample
+session is shown Figure \ref{fig:web-prompt-one}.
+
+\begin{figure}[t]
+  \includegraphics[width=\textwidth]{web-prompt.png}
+  \caption{A sample run of the web prompt.}
+  \label{fig:web-prompt-one}
+\end{figure}
+
+
+
+\section{Evaluation}
+\label{sec:evaluation}
+
+Going back to our goals in Section \ref{sec:contributions}, we feel that
+this thesis fills a gap in the description of observational type theory.
+In the design of \mykant\ we willingly patterned the core features
+against the ones present in Agda, with the hope that future implementors
+will be able to refer to this document without embarking on the same
+adventure themselves.  We gave an original account of heterogeneous
+equality by showing that in a cumulative hierarchy we can keep
+equalities as small as we would be able too with a separate notion of
+type equality.  As a side effect of developing \mykant, we also gave an
+original account of bidirectional type checking for user defined types,
+which get rid of many types while keeping the language very simple.
+
+Through the design of the theory of \mykant\ we have followed an
+approach where study and implementation were continuously interleaved,
+as a `reality check' for the ideas that we wished to implement.  Given
+the great effort necessary to build a theorem prover capable of
+`real-world' proofs we have not attempted to compare \mykant's
+capabilities to those of Agda and Coq, the theorem provers that the
+author is most familiar with and in general two of the main players in
+the field.  However we have ported a lot of simpler examples to check
+that the key features are working, some of which have been used in the
+previous sections and are reproduced in the appendices\footnote{The full
+list is available in the repository:
+\url{https://github.com/bitonic/kant/tree/master/data/samples/good}.}.
+A full example of interaction with \mykant\ is given in Section
+\ref{sec:type-holes}.
+
+The main culprits for the delays in the implementation are two issues
+that revealed themselves to be far less obvious than what the author
+predicted.  The first, as we have already remarked in Section
+\ref{sec:term-repr}, is to have an adequate term representation that
+lets us express the right constructs in a safe way.  There is still no
+widely accepted solution to this problem, which is approached in many
+different ways both in the literature and in the programming
+practice. The second aspect is the treatment of user defined data types.
+Again, the best techniques to implement them in a dependently typed
+setting still have not crystallised and implementors reinvent many
+wheels each time a new system is built.  The author is still conflicted
+on whether having user defined types at all it is the right decision:
+while they are essential, the recent discovery of a paper by
+\cite{dagand2012elaborating} describing a way to efficiently encode
+user-defined data types to a set of core primitives---an option that
+seems very attractive.
+
+In general, implementing dependently typed languages is still a poorly
+understood practice, and almost every stage requires experimentation on
+behalf of the author.  Another example is the treatment of the implicit
+hierarchy, where no resources are present describing the problem from an
+implementation perspective (we described our approach in Section
+\ref{sec:hier-impl}).  Hopefully this state of things will change in the
+near future, and recent publications are promising in this direction,
+for example an unpublished paper by \cite{Brady2013} describing his
+implementation of the Idris programming language.  Our ultimate goal is
+to be a part of this collective effort.
+
+\subsection{A type holes tutorial}
+\label{sec:type-holes}
+
+As a taster and showcase for the capabilities of \mykant, we present an
+interactive session with the \mykant\ REPL.  While doing so, we present
+a feature that we still have not covered: type holes.
+
+Type holes are, in the author's opinion, one of the `killer' features of
+interactive theorem provers, and one that is begging to be exported to
+mainstream programming---although it is much more effective in a
+well-typed, functional setting.  The idea is that when we are developing
+a proof or a program we can insert a hole to have the software tell us
+the type expected at that point.  Furthermore, we can ask for the type
+of variables in context, to better understand our surroundings.
+
+In \mykant\ we use type holes by putting them where a term should go.
+We need to specify a name for the hole and then we can put as many terms
+as we like in it.  \mykant\ will tell us which type it is expecting for
+the term where the hole is, and the type for each  term that we have
+included.  For example if we had:
+\begin{Verbatim}
+plus [m n : Nat] : Nat ⇒ (
+    {| h1 m n |}
+)
+\end{Verbatim}
+And we loaded the file in \mykant, we would get:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :l plus.ka
+Holes:
+  h1 : Nat
+    m : Nat
+    n : Nat
+\end{Verbatim}
+
+Suppose we wanted to define the `less or equal' ordering on natural
+numbers as described in Section \ref{sec:user-type}.  We will
+incrementally build our functions in a file called \texttt{le.ka}.
+First we define the necessary types, all of which we know well by now:
+\begin{Verbatim}
+data Nat : ⋆ ⇒ { zero : Nat | suc : Nat → Nat }
+
+data Empty : ⋆ ⇒ { }
+absurd [A : ⋆] [p : Empty] : A ⇒ (
+    Empty-Elim p (λ _ ⇒ A)
+)
+
+record Unit : ⋆ ⇒ tt { }
+\end{Verbatim}
+Then fire up \mykant, and load the file:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+% ./bertus
+B E R T U S
+Version 0.0, made in London, year 2013.
+>>> :l le.ka
+OK
+\end{Verbatim}
+So far so good.  Our definition will be defined by recursion on a
+natural number \texttt{n}, which will return a function that given
+another number \texttt{m} will return the trivial type \texttt{Unit} if
+$\texttt{n} \le \texttt{m}$, and the \texttt{Empty} type otherwise.
+However we are still not sure on how to define it, so we invoke
+$\texttt{Nat-Elim}$, the eliminator for natural numbers, and place holes
+instead of arguments.  In the file we will write:
+\begin{Verbatim}
+le [n : Nat] : Nat → ⋆ ⇒ (
+  Nat-Elim n (λ _ ⇒ Nat → ⋆)
+    {|h1|}
+    {|h2|}
+)
+\end{Verbatim}
+And then we reload in \mykant:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :r le.ka
+Holes:
+  h1 : Nat → ⋆
+  h2 : Nat → (Nat → ⋆) → Nat → ⋆
+\end{Verbatim}
+Which tells us what types we need to satisfy in each hole.  However, it
+is not that clear what does what in each hole, and thus it is useful to
+have a definition vacuous in its arguments just to clear things up.  We
+will use \texttt{Le} aid in reading the goal, with \texttt{Le m n} as a
+reminder that we to return the type corresponding to $\texttt{m} ≤
+\texttt{n}$:
+\begin{Verbatim}
+Le [m n : Nat] : ⋆ ⇒ ⋆
+
+le [n : Nat] : [m : Nat] → Le n m ⇒ (
+  Nat-Elim n (λ n ⇒ [m : Nat] → Le n m)
+    {|h1|}
+    {|h2|}
+)
+\end{Verbatim}
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :r le.ka
+Holes:
+  h1 : [m : Nat] → Le zero m
+  h2 : [x : Nat] → ([m : Nat] → Le x m) → [m : Nat] → Le (suc x) m
+\end{Verbatim}
+This is much better!  \mykant, when printing terms, does not substitute
+top-level names for their bodies, since usually the resulting term is
+much clearer.  As a nice side-effect, we can use tricks like this to
+find guidance.
+
+In this case in the first case we need to return, given any number
+\texttt{m}, $0 \le \texttt{m}$.  The trivial type will do, since every
+number is less or equal than zero:
+\begin{Verbatim}
+le [n : Nat] : [m : Nat] → Le n m ⇒ (
+  Nat-Elim n (λ n ⇒ [m : Nat] → Le n m)
+    (λ _ ⇒ Unit)
+    {|h2|}
+)
+\end{Verbatim}
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :r le.ka
+Holes:
+  h2 : [x : Nat] → ([m : Nat] → Le x m) → [m : Nat] → Le (suc x) m
+\end{Verbatim}
+Now for the important case.  We are given our comparison function for a
+number, and we need to produce the function for the successor.  Thus, we
+need to re-apply the induction principle on the other number, \texttt{m}:
+\begin{Verbatim}
+le [n : Nat] : [m : Nat] → Le n m ⇒ (
+  Nat-Elim n (λ n ⇒ [m : Nat] → Le n m)
+    (λ _ ⇒ Unit)
+    (λ n' f m ⇒ Nat-Elim m (λ m' ⇒ Le (suc n') m') {|h2|} {|h3|})
+)
+\end{Verbatim}
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :r le.ka
+Holes:
+  h2 : ⋆
+  h3 : [x : Nat] → Le (suc n') x → Le (suc n') (suc x)
+\end{Verbatim}
+In the first hole we know that the second number is zero, and thus we
+can return empty.  In the second case, we can use the recursive argument
+\texttt{f} on the two numbers:
+\begin{Verbatim}
+le [n : Nat] : [m : Nat] → Le n m ⇒ (
+  Nat-Elim n (λ n ⇒ [m : Nat] → Le n m)
+    (λ _ ⇒ Unit)
+    (λ n' f m ⇒
+       Nat-Elim m (λ m' ⇒ Le (suc n') m') Empty (λ f _ ⇒ f m'))
+)
+\end{Verbatim}
+We can verify that our function works as expected:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :e le zero zero
+Unit
+>>> :e le zero (suc zero)
+Unit
+>>> :e le (suc (suc zero)) (suc zero)
+Empty
+\end{Verbatim}
+The other functionality of type holes is examining types of things in
+context.  Going back to the examples in Section \ref{sec:term-types}, we can
+implement the safe \texttt{head} function with our newly defined
+\texttt{le}:
+\begin{Verbatim}
+data List : [A : ⋆] → ⋆ ⇒
+  { nil : List A | cons : A → List A → List A }
+
+length [A : ⋆] [l : List A] : Nat ⇒ (
+  List-Elim l (λ _ ⇒ Nat) zero (λ _ _ n ⇒ suc n)
+)
+
+gt [n m : Nat] : ⋆ ⇒ (le (suc m) n)
+
+head [A : ⋆] [l : List A] : gt (length A l) zero → A ⇒ (
+  List-Elim l (λ l ⇒ gt (length A l) zero → A)
+    (λ p ⇒ {|h1 p|})
+    {|h2|}
+)
+\end{Verbatim}
+We define \texttt{List}s, a polymorphic \texttt{length} function, and
+express $<$ (\texttt{gt}) in terms of $\le$.  Then, we set up the type
+for our \texttt{head} function.  Given a list and a proof that its
+length is greater than zero, we return the first element.  If we load
+this in \mykant, we get:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :r le.ka
+Holes:
+  h1 : A
+    p : Empty
+  h2 : [x : A] [x1 : List A] →
+       (gt (length A x1) zero → A) →
+       gt (length A (cons x x1)) zero → A
+\end{Verbatim}
+In the first case (the one for \texttt{nil}), we have a proof of
+\texttt{Empty}---surely we can use \texttt{absurd} to get rid of that
+case.  In the second case we simply return the element in the
+\texttt{cons}:
+\begin{Verbatim}
+head [A : ⋆] [l : List A] : gt (length A l) zero → A ⇒ (
+  List-Elim l (λ l ⇒ gt (length A l) zero → A)
+    (λ p ⇒ absurd A p)
+    (λ x _ _ _ ⇒ x)
+)
+\end{Verbatim}
+Now, if we tried to get the head of an empty list, we face a problem:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :t head Nat nil
+Type: Empty → Nat
+\end{Verbatim}
+We would have to provide something of type \texttt{Empty}, which
+hopefully should be impossible.  For non-empty lists, on the other hand,
+things run smoothly:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :t head Nat (cons zero nil)
+Type: Unit → Nat
+>>> :e head Nat (cons zero nil) tt
+zero
+\end{Verbatim}
+This should give a vague idea of why type holes are so useful and in
+more in general about the development process in \mykant.  Most
+interactive theorem provers offer some kind of facility
+to... interactively develop proofs, usually much more powerful than the
+fairly bare tools present in \mykant.  Agda in particular offers a
+celebrated interactive mode for the \texttt{Emacs} text editor.
+
+\section{Future work}
+\label{sec:future-work}
+
+The first move that the author plans to make is to work towards a simple
+but powerful term representation.  A good plan seems to be to associate
+each type (terms, telescopes, etc.) with what we can substitute
+variables with, so that the term type will be associated with itself,
+while telescopes and propositions will be associated to terms.  This can
+probably be accomplished elegantly with Haskell's \emph{type families}
+\citep{chakravarty2005associated}.  After achieving a more solid
+machinery for terms, implementing observational equality fully should
+prove relatively easy.
+
+Beyond this steps, we can go in many directions to improve the
+system that we described---here we review the main ones.
+
+\begin{description}
+\item[Pattern matching and recursion] Eliminators are very clumsy,
+  and using them can be especially frustrating if we are used to writing
+  functions via explicit recursion.  \cite{Gimenez1995} showed how to
+  reduce well-founded recursive definitions to primitive recursors.
+  Intuitively, defining a function through an eliminators corresponds to
+  pattern matching and recursively calling the function on the recursive
+  occurrences of the type we matched against.
+
+  Nested pattern matching can be justified by identifying a notion of
+  `structurally smaller', and allowing recursive calls on all smaller
+  arguments.  Epigram goes all the way and actually implements recursion
+  exclusively by providing a convenient interface to the two constructs
+  above \citep{EpigramTut, McBride2004}.
+
+  However as we extend the flexibility in our recursion elaborating
+  definitions to eliminators becomes more and more laborious.  For
+  example we might want mutually recursive definitions and definitions
+  that terminate relying on the structure of two arguments instead of
+  just one.  For this reason both Agda and Coq (Agda putting more
+  effort) let the user write recursive definitions freely, and then
+  employ an external syntactic one the recursive calls to ensure that
+  the definitions are terminating.
+
+  Moreover, if we want to use dependently typed languages for
+  programming purposes, we will probably want to sidestep the
+  termination checker and write a possibly non-terminating function;
+  maybe because proving termination is particularly difficult.  With
+  explicit recursion this amounts to turning off a check, if we have
+  only eliminators it is impossible.
+
+\item[More powerful data types] A popular improvement on basic data
+  types are inductive families \citep{Dybjer1991}, where the parameters
+  for the type constructors can change based on the data constructors,
+  which lets us express naturally types such as $\mytyc{Vec} : \mynat
+  \myarr \mytyp$, which given a number returns the type of lists of that
+  length, or $\mytyc{Fin} : \mynat \myarr \mytyp$, which given a number
+  $n$ gives the type of numbers less than $n$.  This apparent omission
+  was motivated by the fact that inductive families can be represented
+  by adding equalities concerning the parameters of the type
+  constructors as arguments to the data constructor, in much the same
+  way that Generalised Abstract Data Types \citep{GHC} are handled in
+  Haskell.  Interestingly the modified version of System F that lies at
+  the core of recent versions of GHC features coercions reminiscent of
+  those found in OTT, motivated precisely by the need to implement GADTs
+  in an elegant way \citep{Sulzmann2007}.
+
+  Another concept introduced by \cite{dybjer2000general} is
+  induction-recursion, where we define a data type in tandem with a
+  function on that type.  This technique has proven extremely useful to
+  define embeddings of other calculi in an host language, by defining
+  the representation of the embedded language as a data type and at the
+  same time a function decoding from the representation to a type in the
+  host language.  The decoding function is then used to define the data
+  type for the embedding itself, for example by reusing the host's
+  language functions to describe functions in the embedded language,
+  with decoded types as arguments.
+
+  It is also worth mentioning that in recent times there has been work
+  \citep{dagand2012elaborating, chapman2010gentle} to show how to define
+  a set of primitives that data types can be elaborated into.  The big
+  advantage of the approach proposed is enabling a very powerful notion
+  of generic programming, by writing functions working on the
+  `primitive' types as to be workable by all the other `compatible'
+  elaborated user defined types.  This has been a considerable problem
+  in the dependently type world, where we often define types which are
+  more `strongly typed' version of similar structures,\footnote{For
+    example the $\mytyc{OList}$ presented in Section \ref{sec:user-type}
+    being a `more typed' version of an ordinary list.} and then find
+  ourselves forced to redefine identical operations on both types.
+
+\item[Pattern matching and inductive families] The notion of inductive
+  family also yields a more interesting notion of pattern matching,
+  since matching on an argument influences the value of the parameters
+  of the type of said argument.  This means that pattern matching
+  influences the context, which can be exploited to constraint the
+  possible data constructors for \emph{other} arguments
+  \citep{McBride2004}.
+
+\item[Type inference] While bidirectional type checking helps at a very
+  low cost of implementation and complexity, a much more powerful weapon
+  is found in \emph{pattern unification}, which allows Hindley-Milner
+  style inference for dependently typed languages.  Unification for
+  higher order terms is undecidable and unification problems do not
+  always have a most general unifier \citep{huet1973undecidability}.
+  However \cite{miller1992unification} identified a decidable fragment
+  of higher order unification commonly known as pattern unification,
+  which is employed in most theorem provers to drastically reduce the
+  number of type annotations.  \cite{gundrytutorial} provide a tutorial
+  on this practice.
+
+\item[Coinductive data types] When we specify inductive data types, we
+  do it by specifying its \emph{constructors}---functions with the type
+  we are defining as codomain.  Then, we are offered way of compute by
+  recursively \emph{destructing} or \emph{eliminating} a member of the
+  defined data type.
+
+  Coinductive data types are the dual of this approach.  We specify ways
+  to destruct data, and we are given a way to generate the defined type
+  by repeatedly `unfolding' starting from some seed.  For example,
+  we could defined infinite streams by specifying a $\myfun{head}$ and
+  $\myfun{tail}$ destructors---here using a syntax reminiscent of
+  \mykant\ records:
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \mysyn{codata}\ \mytyc{Stream}\myappsp (\myb{A} {:} \mytyp)\ \mysyn{where} \\
+    \myind{2} \{ \myfun{head} : \myb{A}, \myfun{tail} : \mytyc{Stream} \myappsp \myb{A}\}
+  \end{array}
+  \]
+  which will hopefully give us something like
+  \[
+  \begin{array}{@{}l}
+    \myfun{head} : (\myb{A}{:}\mytyp) \myarr \mytyc{Stream} \myappsp \myb{A} \myarr \myb{A} \\
+    \myfun{tail} : (\myb{A}{:}\mytyp) \myarr \mytyc{Stream} \myappsp \myb{A} \myarr \mytyc{Stream} \myappsp \myb{A} \\
+    \mytyc{Stream}.\mydc{unfold} : (\myb{A}\, \myb{B} {:} \mytyp) \myarr (\myb{A} \myarr \myb{B} \myprod \myb{A}) \myarr \myb{A} \myarr \mytyc{Stream} \myappsp \myb{B}
+  \end{array}
+  \]
+  Where, in $\mydc{unfold}$, $\myb{B} \myprod \myb{A}$ represents the
+  fields of $\mytyc{Stream}$ but with the recursive occurrence replaced
+  by the `seed' type $\myb{A}$.
+
+  Beyond simple infinite types like $\mytyc{Stream}$, coinduction is
+  particularly useful to write non-terminating programs like servers or
+  software interacting with a user, while guaranteeing their liveliness.
+  Moreover it lets us model possibly non-terminating computations in an
+  elegant way \citep{Capretta2005}, enabling for example the study of
+  operational semantics for non-terminating languages
+  \citep{Danielsson2012}.
+  \cite{cockett1992charity} pioneered this approach in their programming
+  language Charity, and coinduction has since been adopted in systems
+  such as Coq \citep{Gimenez1996} and Agda.  However these
+  implementations are unsatisfactory, since Coq's break subject
+  reduction; and Agda, to avoid this problem, does not allow types to
+  depend on the unfolding of codata.  \cite{mcbride2009let} has shown
+  how observational equality can help to resolve these issues, since we
+  can reason about the unfoldings in a better way, like we reason about
+  functions' extensional behaviour.
+\end{description}
+
+The author looks forward to the study and possibly the implementation of
+these ideas in the years to come.
+
+\newpage{}
+
+\appendix
+
+\section{Notation and syntax}
+\label{app:notation}
+
+Syntax, derivation rules, and reduction rules, are enclosed in frames describing
+the type of relation being established and the syntactic elements appearing,
+for example
+
+\mydesc{typing:}{\myjud{\mytmsyn}{\mytysyn}}{
+  Typing derivations here.
+}
+
+In the languages presented and Agda code samples we also highlight the syntax,
+following a uniform colour, capitalisation, and font style convention:
+
+\begin{center}
+  \begin{tabular}{c | l}
+    $\mytyc{Sans}$   & Type constructors. \\
+    $\mydc{sans}$    & Data constructors. \\
+    % $\myfld{sans}$  & Field accessors (e.g. \myfld{fst} and \myfld{snd} for products). \\
+    $\mysyn{roman}$  & Keywords of the language. \\
+    $\myfun{roman}$  & Defined values and destructors. \\
+    $\myb{math}$     & Bound variables.
+  \end{tabular}
+\end{center}
+
+When presenting grammars, we use a word in $\mysynel{math}$ font
+(e.g. $\mytmsyn$ or $\mytysyn$) to indicate indicate
+nonterminals. Additionally, we use quite flexibly a $\mysynel{math}$
+font to indicate a syntactic element in derivations or meta-operations.
+More specifically, terms are usually indicated by lowercase letters
+(often $\mytmt$, $\mytmm$, or $\mytmn$); and types by an uppercase
+letter (often $\mytya$, $\mytyb$, or $\mytycc$).
+
+When presenting type derivations, we often abbreviate and present multiple
+conclusions, each on a separate line:
+\begin{prooftree}
+  \AxiomC{$\myjud{\mytmt}{\mytya \myprod \mytyb}$}
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\myfst}{\mytmt}}{\mytya}$}
+  \noLine
+  \UnaryInfC{$\myjud{\myapp{\mysnd}{\mytmt}}{\mytyb}$}
+\end{prooftree}
+We often present `definitions' in the described calculi and in
+$\mykant$\ itself, like so:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \myfun{name} : \mytysyn \\
+  \myfun{name} \myappsp \myb{arg_1} \myappsp \myb{arg_2} \myappsp \cdots \mapsto \mytmsyn
+\end{array}
+\]
+To define operators, we use a mixfix notation similar
+to Agda, where $\myarg$s denote arguments:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \myarg \mathrel{\myfun{$\wedge$}} \myarg : \mybool \myarr \mybool \myarr \mybool \\
+  \myb{b_1} \mathrel{\myfun{$\wedge$}} \myb{b_2} \mapsto \cdots
+\end{array}
+\]
+In explicitly typed systems, we omit type annotations when they
+are obvious, e.g. by not annotating the type of parameters of
+abstractions or of dependent pairs.\\
+We introduce multiple arguments in one go in arrow types:
+\[
+  (\myb{x}\, \myb{y} {:} \mytya) \myarr \cdots = (\myb{x} {:} \mytya) \myarr (\myb{y} {:} \mytya) \myarr \cdots
+\]
+and in abstractions:
+\[
+\myabs{\myb{x}\myappsp\myb{y}}{\cdots} = \myabs{\myb{x}}{\myabs{\myb{y}}{\cdots}}
+\]
+We also omit arrows to abbreviate types:
+\[
+(\myb{x} {:} \mytya)(\myb{y} {:} \mytyb) \myarr \cdots =
+(\myb{x} {:} \mytya) \myarr (\myb{y} {:} \mytyb) \myarr \cdots
+\]
+
+Meta operations names are displayed in $\mymeta{smallcaps}$ and
+written in a pattern matching style, also making use of boolean guards.
+For example, a meta operation operating on a context and terms might
+look like this:
+\[
+\begin{array}{@{}l}
+  \mymeta{quux}(\myctx, \myb{x}) \mymetaguard \myb{x} \in \myctx \mymetagoes \myctx(\myb{x}) \\
+  \mymeta{quux}(\myctx, \myb{x}) \mymetagoes \mymeta{outofbounds} \\
+  \myind{2} \vdots
+\end{array}
+\]
+
+From time to time we give examples in the Haskell programming
+language as defined by \cite{Haskell2010}, which we typeset in
+\texttt{teletype} font.  I assume that the reader is already familiar
+with Haskell, plenty of good introductions are available
+\citep{LYAH,ProgInHask}.
+
+Examples of \mykant\ code will be typeset nicely with \LaTeX in Section
+\ref{sec:kant-theory}, to adjust with the rest of the presentation; and
+in \texttt{teletype} font in the rest of the document, including Section
+\ref{sec:kant-practice} and in the appendices.  All the \mykant\ code
+shown is meant to be working and ready to be inputted in a \mykant\
+prompt or loaded from a file. Snippets of sessions in the \mykant\
+prompt will be displayed with a left border, to distinguish them from
+snippets of code:
+\begin{Verbatim}[frame=leftline]
+>>> :t ⋆
+Type: ⋆
+\end{Verbatim}
+
+\section{Code}
+
+\subsection{ITT renditions}
+\label{app:itt-code}
+
+\subsubsection{Agda}
+\label{app:agda-itt}
+
+Note that in what follows rules for `base' types are
+universe-polymorphic, to reflect the exposition.  Derived definitions,
+on the other hand, mostly work with \mytyc{Set}, reflecting the fact
+that in the theory presented we don't have universe polymorphism.
+
+\begin{code}
+module ITT where
+  open import Level
+
+  data Empty : Set where
+
+  absurd : ∀ {a} {A : Set a} → Empty → A
+  absurd ()
+
+  ¬_ : ∀ {a} → (A : Set a) → Set a
+  ¬ A = A → Empty
+
+  record Unit : Set where
+    constructor tt
+
+  record _×_ {a b} (A : Set a) (B : A → Set b) : Set (a ⊔ b) where
+    constructor _,_
+    field
+      fst  : A
+      snd  : B fst
+  open _×_ public
+
+  data Bool : Set where
+    true false : Bool
+
+  if_/_then_else_ : ∀ {a} (x : Bool) (P : Bool → Set a) → P true → P false → P x
+  if true / _ then x else _ = x
+  if false / _ then _ else x = x
+
+  if_then_else_ : ∀ {a} (x : Bool) {P : Bool → Set a} → P true → P false → P x
+  if_then_else_ x {P} = if_/_then_else_ x P
+
+  data W {s p} (S : Set s) (P : S → Set p) : Set (s ⊔ p) where
+    _◁_ : (s : S) → (P s → W S P) → W S P
+
+  rec : ∀ {a b} {S : Set a} {P : S → Set b}
+    (C : W S P → Set) →       -- some conclusion we hope holds
+    ((s : S) →                -- given a shape...
+     (f : P s → W S P) →      -- ...and a bunch of kids...
+     ((p : P s) → C (f p)) →  -- ...and C for each kid in the bunch...
+     C (s ◁ f)) →             -- ...does C hold for the node?
+    (x : W S P) →             -- If so, ...
+    C x                       -- ...C always holds.
+  rec C c (s ◁ f) = c s f (λ p → rec C c (f p))
+
+module Examples-→ where
+  open ITT
+
+  data ℕ : Set where
+    zero : ℕ
+    suc : ℕ → ℕ
+
+  -- These pragmas are needed so we can use number literals.
+  {-# BUILTIN NATURAL ℕ #-}
+  {-# BUILTIN ZERO zero #-}
+  {-# BUILTIN SUC suc #-}
+
+  data List (A : Set) : Set where
+    [] : List A
+    _∷_ : A → List A → List A
+
+  length : ∀ {A} → List A → ℕ
+  length [] = zero
+  length (_ ∷ l) = suc (length l)
+
+  _>_ : ℕ → ℕ → Set
+  zero > _ = Empty
+  suc _ > zero = Unit
+  suc x > suc y = x > y
+
+  head : ∀ {A} → (l : List A) → length l > 0 → A
+  head [] p = absurd p
+  head (x ∷ _) _ = x
+
+module Examples-× where
+  open ITT
+  open Examples-→
+
+  even : ℕ → Set
+  even zero = Unit
+  even (suc zero) = Empty
+  even (suc (suc n)) = even n
+
+  6-even : even 6
+  6-even = tt
+
+  5-not-even : ¬ (even 5)
+  5-not-even = absurd
+  
+  there-is-an-even-number : ℕ × even
+  there-is-an-even-number = 6 , 6-even
+
+  _∨_ : (A B : Set) → Set
+  A ∨ B = Bool × (λ b → if b then A else B)
+
+  left : ∀ {A B} → A → A ∨ B
+  left x = true , x
+
+  right : ∀ {A B} → B → A ∨ B
+  right x = false , x
+
+  [_,_] : {A B C : Set} → (A → C) → (B → C) → A ∨ B → C
+  [ f , g ] x =
+    (if (fst x) / (λ b → if b then _ else _ → _) then f else g) (snd x)
+
+module Examples-W where
+  open ITT
+  open Examples-×
+
+  Tr : Bool → Set
+  Tr b = if b then Unit else Empty
+
+  ℕ : Set
+  ℕ = W Bool Tr
+
+  zero : ℕ
+  zero = false ◁ absurd
+
+  suc : ℕ → ℕ
+  suc n = true ◁ (λ _ → n)
+
+  plus : ℕ → ℕ → ℕ
+  plus x y = rec
+    (λ _ → ℕ)
+    (λ b →
+      if b / (λ b → (Tr b → ℕ) → (Tr b → ℕ) → ℕ)
+      then (λ _ f → (suc (f tt))) else (λ _ _ → y))
+    x
+
+module Equality where
+  open ITT
+  
+  data _≡_ {a} {A : Set a} : A → A → Set a where
+    refl : ∀ x → x ≡ x
+
+  ≡-elim : ∀ {a b} {A : Set a}
+    (P : (x y : A) → x ≡ y → Set b) →
+    ∀ {x y} → P x x (refl x) → (x≡y : x ≡ y) → P x y x≡y
+  ≡-elim P p (refl x) = p
+
+  subst : ∀ {A : Set} (P : A → Set) → ∀ {x y} → (x≡y : x ≡ y) → P x → P y
+  subst P x≡y p = ≡-elim (λ _ y _ → P y) p x≡y
+
+  sym : ∀ {A : Set} (x y : A) → x ≡ y → y ≡ x
+  sym x y p = subst (λ y′ → y′ ≡ x) p (refl x)
+
+  trans : ∀ {A : Set} (x y z : A) → x ≡ y → y ≡ z → x ≡ z
+  trans x y z p q = subst (λ z′ → x ≡ z′) q p
+
+  cong : ∀ {A B : Set} (x y : A) → x ≡ y → (f : A → B) → f x ≡ f y 
+  cong x y p f = subst (λ z → f x ≡ f z) p (refl (f x))
+\end{code}
+
+\subsubsection{\mykant}
+\label{app:kant-itt}
+
+The following things are missing: $\mytyc{W}$-types, since our
+positivity check is overly strict, and equality, since we haven't
+implemented that yet.
+
+{\small
+\verbatiminput{itt.ka}
+}
+
+\subsection{\mykant\ examples}
+\label{app:kant-examples}
+
+{\small
+\verbatiminput{examples.ka}
+}
+
+\subsection{\mykant' hierachy}
+\label{app:hurkens}
+
+This rendition of the Hurken's paradox does not type check with the
+hierachy enabled, type checks and loops without it.  Adapted from an
+Agda version, available at
+\url{http://code.haskell.org/Agda/test/succeed/Hurkens.agda}.
+
+{\small
+\verbatiminput{hurkens.ka}
+}
+
+\subsection{Term representation}
+\label{app:termrep}
+
+Data type for terms in \mykant.
+
+{\small\begin{verbatim}-- A top-level name.
+type Id    = String
+-- A data/type constructor name.
+type ConId = String
+
+-- A term, parametrised over the variable (`v') and over the reference
+-- type used in the type hierarchy (`r').
+data Tm r v
+    = V v                        -- Variable.
+    | Ty r                       -- Type, with a hierarchy reference.
+    | Lam (TmScope r v)          -- Abstraction.
+    | Arr (Tm r v) (TmScope r v) -- Dependent function.
+    | App (Tm r v) (Tm r v)      -- Application.
+    | Ann (Tm r v) (Tm r v)      -- Annotated term.
+      -- Data constructor, the first ConId is the type constructor and
+      -- the second is the data constructor.
+    | Con ADTRec ConId ConId [Tm r v]
+      -- Data destrutor, again first ConId being the type constructor
+      -- and the second the name of the eliminator.
+    | Destr ADTRec ConId Id (Tm r v)
+      -- A type hole.
+    | Hole HoleId [Tm r v]
+      -- Decoding of propositions.
+    | Dec (Tm r v)
+
+      -- Propositions.
+    | Prop r -- The type of proofs, with hierarchy reference.
+    | Top
+    | Bot
+    | And (Tm r v) (Tm r v)
+    | Forall (Tm r v) (TmScope r v)
+      -- Heterogeneous equality.
+    | Eq (Tm r v) (Tm r v) (Tm r v) (Tm r v)
+
+-- Either a data type, or a record.
+data ADTRec = ADT | Rc
+
+-- Either a coercion, or coherence.
+data Coeh = Coe | Coh\end{verbatim}
+}
+
+\subsection{Graph and constraints modules}
+\label{app:constraint}
+
+The modules are respectively named \texttt{Data.LGraph} (short for
+`labelled graph'), and \texttt{Data.Constraint}.  The type class
+constraints on the type parameters are not shown for clarity, unless
+they are meaningful to the function.  In practice we use the
+\texttt{Hashable} type class on the vertex to implement the graph
+efficiently with hash maps.
+
+\subsubsection{\texttt{Data.LGraph}}
+
+{\small
+\verbatiminput{graph.hs}
+}
+
+\subsubsection{\texttt{Data.Constraint}}
+
+{\small
+\verbatiminput{constraint.hs}
+}
+
+\newpage{}
+
+\bibliographystyle{authordate1}
+\bibliography{final}
+
+\end{document}