Teaching Foundations of Computation and Deduction Through Literate Functional Programming and Type Theory Formalization

We describe experiments in teaching fundamental informatics notions around mathematical structures for formal concepts, and effective algorithms to manipulate them. The major themes of lambda-calculus and type theory served as guides for the effective implementation of functional programming languages and higher-order proof assistants, appropriate for reflecting the theoretical material into effective tools to represent constructively the concepts and formally certify the proofs of their properties. Progressively, a literate programming and proving style replaced informal mathematics in the presentation of the material as executable course notes. The talk will evoke the various stages of (in)completion of the corresponding set of notes along the years, and tell how their elaboration proved to be essential to the discovery of fundamental results

LFTOP: An LF based approach to domain specific reasoning

Specialized vocabulary, notations and inference rules tailored for the description, analysis and reasoning of a domain is very important for the domain. For domain-specific issues researchers focus mainly on the design and implementation of domain-specific languages (DSL) and pay little attention to the reasoning aspects. We believe that domain-specific reasoning is very important to help the proofs of some properties of the domains and should be more concise, more reusable and more believable. It deserves to be investigated in an engineering way. Type theory provides good support for generic reasoning and verification. Many type theorists want to extend uses of type theory to more domains, and believe that the methods, ideas, and technology of type theory can have a beneficial effect for computer assisted reasoning in many domains. Proof assistants based on type theory are well known as effective tools to support reasoning. But these proof assistants have focused primarily on generic notations for representation of problems and are oriented towards helping expert type theorists build proofs efficiently. They are successful in this goal, but they are less suitable for use by non-specialists. In other words, one of the big barriers to limit the use of type theory and proof assistant in domain-specific areas is that it requires significant expertise to use it effectively. We present LFTOP ― a new approach to domain-specific reasoning that is based on a type-theoretic logical framework (LP) but does not require the user to be an expert in type theory. In this approach, users work on a domain-specific interface that is familiar to them. The interface presents a reasoning system of the domain through a user-oriented syntax. A middle layer provides translation between the user syntax and LF， and allows additional support for reasoning (e.g. model checking). Thus, the complexity of the logical framework is hidden but we also retain the benefits of using type theory and its related tools, such as precision and machine-checkable proofs. The approach is being investigated through a number of case studies. In each case study, the relevant domain-specific specification languages and logic are formalized in Plastic. The relevant reasoning system is designed and customized for the users of the corresponding specific domain. The corresponding lemmas are proved in Plastic. We analyze the advantages and shortcomings of this approach, define some new concepts related to the approach, especially discuss issues arising from the translation between the different levels. A prototype implementation is developed. We illustrate the approach through many concrete examples in the prototype implementation. The study of this thesis shows that the approach is feasible and promising, the relevant methods and technologies are useful and effective

Extracting proofs from documents

Often, theorem checkers like PVS are used to check an existing proof, which is part of some document. Since there is a large difference between the notations used in the documents and the notations used in the theorem checkers, it is usually a laborious task to convert an existing proof into a format which can be checked by a machine. In the system that we propose, the author is assisted in the process of converting an existing proof into the PVS language and having it checked by PVS. 1 Introduction The now-classic ALGOL 60 report [5] recognized three different levels of language: a reference language, a publication language and several hardware representations, whereby the publication language was intended to admit variations on the reference language and was to be used for stating and communicating processes. The importance of publication language ---often referred to nowadays as "pseudo-code"--- is difficult to exaggerate since a publication language is the most effective way..

Human reasoning and cognitive science

In the late summer of 1998, the authors, a cognitive scientist and a logician, started talking about the relevance of modern mathematical logic to the study of human reasoning, and we have been talking ever since. This book is an interim report of that conversation. It argues that results such as those on the Wason selection task, purportedly showing the irrelevance of formal logic to actual human reasoning, have been widely misinterpreted, mainly because the picture of logic current in psychology and cognitive science is completely mistaken. We aim to give the reader a more accurate picture of mathematical logic and, in doing so, hope to show that logic, properly conceived, is still a very helpful tool in cognitive science. The main thrust of the book is therefore constructive. We give a number of examples in which logical theorizing helps in understanding and modeling observed behavior in reasoning tasks, deviations of that behavior in a psychiatric disorder (autism), and even the roots of that behavior in the evolution of the brain

An Extensible Theorem Proving Frontend

Interaktive Theorembeweiser sind Softwarewerkzeuge zum computergestützten Beweisen, d.h. sie können entsprechend kodierte Beweise von logischen Aussagen sowohl verifizieren als auch beim Erstellen dieser unterstützen. In den letzten Jahren wurden weitreichende Formalisierungsprojekte über Mathematik sowie Programmverifikation mit solchen Theorembeweisern bewältigt. Der Theorembeweiser Lean insbesondere wurde nicht nur erfolgreich zum Verifizieren lange bekannter mathematischer Theoreme verwendet, sondern auch zur Unterstützung von aktueller mathematischer Forschung. Das Ziel des Lean-Projekts ist nichts weniger als die Arbeitsweise von Mathematikern grundlegend zu verändern, indem mit dem Computer formalisierte Beweise eine praktible Alternative zu solchen mit Stift und Papier werden sollen. Aufwändige manuelle Gutachten zur Korrektheit von Beweisen wären damit hinfällig und gleichzeitig wäre garantiert, dass alle nötigen Beweisschritte exakt erfasst sind, statt der Interpretation und dem Hintergrundwissen des Lesers überlassen zu sein. Um dieses Ziel zu erreichen, sind jedoch noch weitere Fortschritte hinsichtlich Effizienz und Nutzbarkeit von Theorembeweisern nötig. Als Schritt in Richtung dieses Ziels beschreibt diese Dissertation eine neue, vollständig erweiterbare Theorembeweiser-Benutzerschnittstelle ("frontend") im Rahmen von Lean 4, der nächsten Version von Lean. Aufgabe dieser Benutzerschnittstelle ist die textuelle Beschreibung und Entgegennahme der Beweiseingabe in einer Syntax, die mehrere teils widersprüchliche Ziele optimieren sollte: Kompaktheit, Lesbarkeit für menschliche Benutzer und Eindeutigkeit in der Interpretation durch den Theorembeweiser. Da in der geschriebenen Mathematik eine umfangreiche Menge an verschiedenen Notationen existiert, die von Jahr zu Jahr weiter wächst und sich gleichzeitig zwischen verschiedenen Feldern, Autoren oder sogar einzelnen Arbeiten unterscheiden kann, muss solch eine Schnittstelle es Benutzern erlauben, sie jederzeit mit neuen, ausdrucksfähigen Notationen zu erweitern und ihnen mit flexiblen Regeln Bedeutung zuzuschreiben. Dieser Wunsch nach Flexibilität der Eingabesprache lässt sich weiterhin auch auf der Ebene der einzelnen Beweisschritte ("Taktiken") sowie höheren Ebenen der Beweis- und Programmorganisation wiederfinden. Den Kernteil dieser gewünschten Erweiterbarkeit habe ich mit einem ausdrucksstarken Makrosystem für Lean realisiert, mit dem sich sowohl einfach Syntaxtransformationen ("syntaktischer Zucker") also auch komplexe, typgesteuerte Übersetzung in die Kernsprache des Beweisers ausdrücken lassen. Das Makrosystem basiert auf einem neuartigen Algorithmus für Makrohygiene, basierend auf dem der Lisp-Sprache Racket und von mir an die spezifischen Anforderungen von Theorembeweisern angepasst, dessen Aufgabe es ist zu gewährleisten, dass lexikalische Geltungsbereiche von Bezeichnern selbst für komplexe Makros wie intuitiv erwartet funktionieren. Besonders habe ich beim Entwurf des Makrosystems darauf geachtet, das System einfach zugänglich zu gestalten, indem mehrere Abstraktionsebenen bereitgestellt werden, die sich in ihrer Ausdrucksstärke unterscheiden, aber auf den gleichen fundamentalen Prinzipien wie der erwähnten Makrohygiene beruhen. Als ein Anwendungsbeispiel des Makrosystems beschreibe ich eine Erweiterung der aus Haskell bekannten "do"-Notation um weitere imperative Sprachfeatures. Die erweiterte Syntax ist in Lean 4 eingeflossen und hat grundsätzlich die Art und Weise verändert, wie sowohl Entwickler als auch Benutzer monadischen, aber auch puren Code schreiben. Das Makrosystem stellt das "Herz" des erweiterbaren Frontends dar, ist gleichzeitig aber auch eng mit anderen Softwarekomponenten innerhalb der Benutzerschnittstelle verknüpft oder von ihnen abhängig. Ich stelle das gesamte Frontend und das umgebende Lean-System vor mit Fokus auf Teilen, an denen ich maßgeblich mitgewirkt habe. Schließlich beschreibe ich noch ein effizientes Referenzzählungsschema für funktionale Programmierung, welches eine Neuimplementierung von Lean in Lean selbst und damit das erweiterbare Frontend erst ermöglicht hat. Spezifische Optimierungen darin zur Wiederverwendung von Allokationen vereinen, ähnlich wie die erweiterte do-Notation, die Vorteile von imperativer und pur funktionaler Programmierung in einem neuen Paradigma, das ich "pure imperative Programmierung" nenne

On Making in the Digital Humanities

On Making in the Digital Humanities fills a gap in our understanding of digital humanities projects and craft by exploring the processes of making as much as the products that arise from it. The volume draws focus to the interwoven layers of human and technological textures that constitute digital humanities scholarship. To do this, it assembles a group of well-known, experienced and emerging scholars in the digital humanities to reflect on various forms of making (we privilege here the creative and applied side of the digital humanities). The volume honours the work of John Bradley, as it is totemic of a practice of making that is deeply informed by critical perspectives. A special chapter also honours the profound contributions that this volume’s co-editor, Stéfan Sinclair, made to the creative, applied and intellectual praxis of making and the digital humanities. Stéfan Sinclair passed away on 6 August 2020. The chapters gathered here are individually important, but together provide a very human view on what it is to do the digital humanities, in the past, present and future. This book will accordingly be of interest to researchers, teachers and students of the digital humanities; creative humanities, including maker spaces and culture; information studies; the history of computing and technology; and the history of science and the humanities