「SF-PLF」8 StlcProp

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基本的定理依赖关系 top-down:

Type Safety

  • Progress
    • Canonical Forms (one for each type of value)
  • Preservation
    • Substituion
      • Context Invariance (in PLT, Exchange, and Weakening)

Canonical Forms

对于我们只有 bool 一个 base type 的 STLC，只需要 bool 和 λ:

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Lemma canonical_forms_bool : ∀t,
  empty ⊢ t ∈ Bool →
  value t →
  (t = tru) ∨ (t = fls).

Lemma canonical_forms_fun : ∀t T1 T2,
  empty ⊢ t ∈ (Arrow T1 T2) →
  value t →
  ∃x u, t = abs x T1 u.

Progress

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Theorem progress : ∀t T,
  empty ⊢ t ∈ T →
  value t ∨ ∃t', t --> t'.

类似 Types 章节的 progress 和 PLT 中的 proof.

  1. induction on typing relation
  2. induction on term

这两个思路的证明基本一致，

  • auto 上来就用把 tru, fls, abs 三个 value 的 case 干掉了，
  • take step 的 case 则需要 witness 一个 t', 这时候 Canonical Form 就派上用场了

Preservation

preservation theorem

  • induction on typing; prove it type-preserving after reduction/evaluation (what about induction on reduction?)
  • ST_AppAbs 比较麻烦，需要做 substitution，所以我们需要证明 substituion 本身是 type-preserving…
    substitution lemma
  • induction on term; prove it type-preserving after a substitution
  • 替换会将 bound var 加入 Context，所以我们需要证明 free var 对于新的 Context 仍然是 type-preserving…
    • 这里我们需要 the formal definition of free var as well.
      context invariance
  • exchange : 交换顺序显然无影响
  • weakening : 如果不是 override 的话，添加新变量显然对于之前的 well-typeness 无影响

Free Occurrences

在 PLT/TAPL 中，我们将 “free variables of an term” 定义为一个集合 FV(t). (集合是一种 computational 的概念)

    FV(x) = {x}
FV(λx.t1) = FV(t1) ∪ FV(t2)
FV(t1 t2) = FV(t1) \ {x}

在这里，我们则将 “appears_free in” 定义为 var x 与 term t 上的二元关系: (读作 judgement 即可)

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Inductive appears_free_in : string → tm → Prop :=
  | afi_var : ∀x,
      appears_free_in x (var x)
  | afi_app1 : ∀x t1 t2,
      appears_free_in x t1 →
      appears_free_in x (app t1 t2)
  | afi_app2 : ∀x t1 t2,
      appears_free_in x t2 →
      appears_free_in x (app t1 t2)
  | afi_abs : ∀x y T11 t12,
      y ≠ x →
      appears_free_in x t12 →
      appears_free_in x (abs y T11 t12)
  (** 省略 test **)
  ... 

Hint Constructors appears_free_in.

(** a term with no free vars. 等价于 ¬(∃x,  appears_free_in x t). **) 
Definition closed (t:tm) :=           ∀x, ¬appears_free_in x t.

An open term is one that may contain free variables.
“Open” precisely means “possibly containing free variables.”

the closed terms are a subset of the open ones.
closed 是 open 的子集…这样定义吗（

Free Vars is in Context

首先我们需要一个「free var 都是 well-typed 」的 lemma

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Lemma free_in_context : ∀x t T Gamma,   (** 名字有一点 misleading，意思是 "free vars is in context" 而不是 "var is free in context"... **)
   appears_free_in x t →
   Gamma ⊢ t ∈ T →
   ∃T', Gamma x = Some T'.

由此我们可以推论 所有在 empty context 下 well typed 的 term 都是 closed 得：

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Corollary typable_empty__closed : ∀t T,
    empty ⊢ t ∈ T →
    closed t.

Context Invariance 上下文的一些「不变式」

PLT 的 Weaking 和 Exchanging 其实就对应了 Gamma 作为 partial_map 的 neq 和 permute
这里，我们直接进一步地证明 「term 的 well-typeness 在『free var 的值不变的 context 变化下』是 preserving 得」: 

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Lemma context_invariance : ∀Gamma Gamma' t T,
    Gamma ⊢ t ∈ T →
    (∀x, appears_free_in x t → Gamma x = Gamma' x) →    (** <-- 这句的意思是：对于 freevar，我们有其值不变。（如果没有括号就变成所有值都不变了……）**)
    Gamma' ⊢ t ∈ T.

Substitution!

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Lemma substitution_preserves_typing : ∀Gamma x U t v T,
  (x ⊢> U ; Gamma) ⊢ t ∈ T →
  empty ⊢ v ∈ U →              (** 这里我们其实 assume 被替换进来的项，即「参数」，是 closed 得。这是一个简化的版本 **)
  Gamma ⊢ [x:=v]t ∈ T.

可以被看做一种交换律 (“commutation property”)
即先 type check 再 substitution 和 先 substition 再 type check 是等价的

Proof by induction on term 不好证，挺麻烦的

Finally, Preservation

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Theorem preservation : ∀t t' T,
  empty ⊢ t ∈ T →
  t --> t' →
  empty ⊢ t' ∈ T.

Not subject expansion

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Theorem not_subject_expansion:
  ~(forall t t' T, t --> t' /\ empty |- t' \in T -> empty |- t \in T).
(app (abs x (Arrow Bool Bool) tru) tru)  -- 考虑 term 

(λx:Bool->Bool . tru) tru   -->   tru    -- 可以 step
                    empty   |-   Bool    -- step 后 well-typed

empty |-/-  (λx:Bool->Bool . tru) tru    -- 但是原 term 显然 ill-typed

Type Soundness

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(** stuck 即在不是 value 的时候无法 step **)
Definition stuck (t:tm) : Prop :=
  (normal_form step) t ∧ ¬value t.

(** well-typed term never get stuck! **)
Corollary soundness : ∀t t' T,
  empty ⊢ t ∈ T →
  t -->* t' →
  ~(stuck t').

Uniqueness of Types

这里的 Uniqueness 与 Right-unique / deterministic / functional 其实都是相同的内涵

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Theorem unique_types : ∀Gamma e T T',
  Gamma ⊢ e ∈ T →
  Gamma ⊢ e ∈ T' →
  T = T'.

Additional Exercises

STLC with Arithmetic

only Nat…这样就不用管 the interaction between Bool and Nat 

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Inductive ty : Type :=
  | Arrow : ty → ty → ty
  | Nat : ty.            (** <-- the only concrete base type **)


Inductive tm : Type :=
  | var : string → tm
  | app : tm → tm → tm
  | abs : string → ty → tm → tm
  | const : nat → tm     (** <-- 居然用 metalang 的 nat 而非 zro **)
  | scc : tm → tm
  | prd : tm → tm
  | mlt : tm → tm → tm
  | test0 : tm → tm → tm → tm.

更多拓展见下一章 MoreStlc.v