Automatisierte Logik und Programmierung

Automatisierte Logik und Programmierung
Einheit 7
Abhängige Datentypen
1. Warum abhängige Datentypen?
2. Syntax, Semantik, Inferenzregeln
3. Ausdruckskraft
4. Universen und Abhängigkeit
Ziel: mehr Ausdruckskraft in der Typentheorie
• Einfache Typisierung von B ist zu restriktiv
– Typschema für B ist X→X→X,
aber in if b then s else t ≡ b s t hängt X von s und t ab
– Einfache Typentheorie kann diese Abhängigkeit nicht beschreiben
• Church Numerals sind Funktionen und Daten zugleich
– Typschema für N ist (X→X) → X→X, aber
in PRs[base,h] ≡ λn. n h base muß n ∈ N = (N→N)→N→N sein
– Einfache Typentheorie kann die Doppelrolle von N nicht beschreiben
• Funktionen wie λx.x sind polymorph
– Das Typschema ‘für alle T gilt λx.x
∈
T →T ’ ist nicht beschreibbar
Formuliere Abhängigkeit in Datentypen
– Im Ausdruck x:S→T [x] kann der Typ T vom Wert eines x ∈ S abhängen
– Parameter x macht den Typ T polymorph
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Abhängige Datentypen
Informatik benötigt Abhängige Datentypen
Datenstrukturen mit internen Querbezügen
• Abstrakte Maschinenmodelle
– Endliche Automaten (Q, Σ, q0, δ, F ) mit q 0 ∈ Q, δ:Q×Σ→Q, F ⊆Q
Datentyp von q 0 hängt ab vom Wert der ersten beiden Komponenten
• Programmiersprachliche Konstrukte
– Datentyp Record [l1:T1; ...; ln:Tn]
Datentyp Ti einer Komponente hängt vom Wert des Labels li ab
– Variant record type date = Jan of 1..31 | Feb of 1..28 | . . .
Datentyp der zweiten Komponente hängt vom Wert der ersten ab
– Modellierung einer optionalen Eingabe abhängig von Testwerten
λx. if x=0 then 4 else λinput.5*input
Datentyp ist je nach Wert von x eine Zahl oder eine Funktion
• (Programmier-)logik
– Quantifizierte Aussagen (∀x)P , (∃x)P
Gültigkeit der Aussage P hängt vom Wert des Elements x ab
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Abhängige Datentypen
Formalisierung von Abhängigkeiten
• Abhängiger Funktionenraum: x:S→T [x]
– Elemente sind Funktionen λx.t
– Typ T [x] des Bilds t hängt vom Wert der Eingabe s ∈ S ab
Einfachste Erweiterung des bisherigen Typsystems
• Andersartige Abhängigkeiten ebenfalls möglich
– Abhängiges Produkt: x:S×T [x]
Elemente sind Paare (s, t)
Typ der zweiten Komponente t hängt vom Wert s ∈ S der ersten ab
– Durchschnitt ∩x:S.T [x] von Typfamilien
Vereinigung ∪x:S.T [x] von Typfamilien
Elemente müssen zu allen/einem T [x] für x ∈ S gehören
– Abhängiger Durchschnitt x:S∩T [x]
Element s muß zu S und zu T [s] gehören (Selbstreferenz!)
Gut für Formalisierung von abstrakten Datentypen und Objekten
..
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Abhängige Datentypen
Abhängige Funktionenräume x:S→T [x]
• Erweiterte Syntax von Ausdrücken
– Typsymbole sind (atomare) Typen
– Sind x Variable, S, T Typen, dann sind x:S→T [x] und (T ) Typen
– S→T kürzt x:S→T [x] ab, wenn x in T nicht frei vorkommt
Objekt-Ausdrücke und Prioritäten sind definiert wie bisher
• Modifizierte Typzugehörigkeitsrelation
– x ∈T
nur wenn x ∈ T bekannt und x Termvariable
– λy.t
∈
–ft
T [t/x]
– (t)
∈
∈
x:S→T [x] falls t[x/y] ∈ T [x] aus x ∈ S folgt
T, t
falls f ∈ x:S→T und t ∈ S für einen Typ S gelten
∈
(T ) falls t ∈ T gilt
Typisierbarkeit und prinzipielles Typschema sind definiert wie bisher
• Modifizierte Refinementregeln
– Abhängigkeiten der Typzugehörigkeitsrelation werden integriert
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Abhängige Datentypen
Inferenzregeln für abhängige Funktionenräume
• Reduktions- und Deklarationsregeln
H ⊢ (λx.u) s = t ∈ T
H ⊢ u[s/x] = t ∈ T
H, x:T , H ′ ⊢ x = x
∈
reduction
T
declaration
• Kongruenzregeln
H ⊢f t=gu ∈ T
H ⊢ f = g ∈ S→T
H ⊢t=u ∈S
applyEq S
– Argumenttyp S muß als Parameter der Regel angegeben werden
H ⊢ λx.t = λy.u ∈ S→T
H, x′:S ⊢ t[x′/x] = u[x′/y] ∈ T
H ⊢S ∈U
lambdaEq (x′ neu, nicht frei in H)
• Typdekompositionsregel
H ⊢ S→T ∈ U
H ⊢S ∈U
H ⊢T ∈U
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functionI
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Abhängige Datentypen
Inferenzregeln für abhängige Funktionenräume
• Reduktions- und Deklarationsregeln bleiben unverändert
H ⊢ (λx.u) s = t ∈ T
H ⊢ u[s/x] = t ∈ T
reduction
H, x:T , H ′ ⊢ x = x
∈
T
declaration
• Kongruenzregeln berücksichtigen Abhängigkeiten
H ⊢f t=gu ∈ T
H ⊢ f = g ∈ x: S→T
H ⊢t=u ∈S
applyEq x:S→T
– Gesamter Typ x:S→T muß als Parameter der Regel angegeben werden
H ⊢ λx.t = λy.u ∈ x: S→T
H, x′:S ⊢ t[x′/x] = u[x′/y] ∈ T [x′/x]
H ⊢S ∈U
lambdaEq (x′ neu, nicht frei in H)
• Typdekompositionsregel berücksichtigt Abhängigkeiten
H ⊢ x: S→T ∈ U
H ⊢S ∈U
H, x′:S ⊢ T [x′/x] ∈ U
functionI
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Abhängige Datentypen
Ausdruckskraft abhängiger Datentypen
Einfache Repräsentation vieler Basiskonzepte
• Boolescher Ausdrücke werden polymorph formulierbar
– Zieldatentyp wird Parameter in Formalisierung
T
≡ λX.λx.λy.x
≡ λX.λx.λy.y
F
if b then s else t : X ≡ b X s t
– Führt zur Typisierung B ≡ X : U → X→X→X
wobei U Repräsentant der Menge aller Datentypen
– Typisierung von s und t liefert Wert für den Parameter X
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Abhängige Datentypen
Ausdruckskraft abhängiger Datentypen
Einfache Repräsentation vieler Basiskonzepte
• Boolescher Ausdrücke werden polymorph formulierbar
– Zieldatentyp wird Parameter in Formalisierung
T
≡ λX.λx.λy.x
≡ λX.λx.λy.y
F
if b then s else t : X ≡ b X s t
– Führt zur Typisierung B ≡ X : U → X→X→X
wobei U Repräsentant der Menge aller Datentypen
– Typisierung von s und t liefert Wert für den Parameter X
• Simulation des Summentyps verallgemeinert B
inl(a)
≡ λX.λx.λy.x a
inr(b)
≡ λX.λx.λy.y b
case x of inl(a)→s | inr(b)→t : X ≡ x X (λa.s) (λb.t)
– Führt zur Typisierung A+B ≡ X : U → (A→X)→(B→X)→X
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Abhängige Datentypen
Ausdruckskraft abhängiger Datentypen II
• Geschlossene Typisierung von Produkten
hu,vi
≡ λX.λp. p u v
let hx,yi = pair in t : X ≡ pair X (λx.λy.t)
– Führt zur Typisierung S×T ≡ X : U → (S→T →X)→X
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Abhängige Datentypen
Ausdruckskraft abhängiger Datentypen II
• Geschlossene Typisierung von Produkten
hu,vi
≡ λX.λp. p u v
let hx,yi = pair in t : X ≡ pair X (λx.λy.t)
– Führt zur Typisierung S×T ≡ X : U → (S→T →X)→X
• Polymorphe Typisierung der Church-Numerals
n
≡ λX.λf.λx. fn x
s
≡ λn.λf.λx. n(N) f (f x)
PRs[base,h] ≡ λn. n(N) h base
– Führt zu N ≡ X : U → (X→X) → X→X
– Instantiierung von X mit N führt zu kontrollierter Selbstreferenz
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Abhängige Datentypen
Ausdruckskraft abhängiger Datentypen II
• Geschlossene Typisierung von Produkten
hu,vi
≡ λX.λp. p u v
let hx,yi = pair in t : X ≡ pair X (λx.λy.t)
– Führt zur Typisierung S×T ≡ X : U → (S→T →X)→X
• Polymorphe Typisierung der Church-Numerals
n
≡ λX.λf.λx. fn x
s
≡ λn.λf.λx. n(N) f (f x)
PRs[base,h] ≡ λn. n(N) h base
– Führt zu N ≡ X : U → (X→X) → X→X
– Instantiierung von X mit N führt zu kontrollierter Selbstreferenz
• Typisierung von Listen ist analog zu Zahlen
[]
≡ λX.λf.λx.x
t::list
≡ λX.λf.λx. f t (list(X) f x)
list ind[b,h] ≡ λX.λlist. list(X) h b
– Führt zur Typisierung T list ≡ X : U → (T →X→X)→X→X
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Abhängige Datentypen
Auch die Curry-Howard Isomorphie setzt sich fort
H ⊢ λx.t ∈ x:S→T
H ⊢ (∀x)B
ev = λx′. b
H, x′:S ⊢ t[x′/x] ∈ T [x′/x]
H, x′:U ⊢ B[x′/x] ev = b
lambdaEq
H ⊢S ∈U
allR
H ⊢ f t ∈ T [t/x]
H ⊢ C[t/x]
ev = f (t)
applyEq
H ⊢ f ∈ x:S→T
InstUniv
H ⊢ (∀x)B ev = f
ev = x:S→T
H ⊢t ∈S
H ⊢ t ∈U
(∀x)B
(Originalregel allL ist Variante von InstUniv )
Analogien zwischen Typentheorie und Logik
Typ
Formel
Annahme (von Evidenz für Formel) S
Variable vom Typ S
Term vom Typ T (freie Variablen aus Si) Beweis von T (Annahmen Si)
Typechecking
Beweisführung
Abhängiger Funktionenraum
All-Quantor
Unabhängiger Funktionenraum
Implikation
Komplette Formalisierung der Logik möglich?
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
– A ∧ B gilt, wenn jede Aussage, die aus A und B folgt, gültig ist
– A ∧ B ≡ (∀P )((A ⇒ B ⇒ P ) ⇒ P )
• Disjunktion
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
– A ∧ B gilt, wenn jede Aussage, die aus A und B folgt, gültig ist
– A ∧ B ≡ (∀P )((A ⇒ B ⇒ P ) ⇒ P )
• Disjunktion
– A ∨ B gilt, wenn jede Aussage gültig ist, die aus A und auch aus B folgt
– A ∨ B ≡ (∀P )((A ⇒ P ) ⇒ (B ⇒ P ) ⇒ P )
• Negation ist eine Abkürzung: ¬A ≡ A ⇒ f
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
– A ∧ B gilt, wenn jede Aussage, die aus A und B folgt, gültig ist
– A ∧ B ≡ (∀P )((A ⇒ B ⇒ P ) ⇒ P )
• Disjunktion
– A ∨ B gilt, wenn jede Aussage gültig ist, die aus A und auch aus B folgt
– A ∨ B ≡ (∀P )((A ⇒ P ) ⇒ (B ⇒ P ) ⇒ P )
• Negation ist eine Abkürzung: ¬A ≡ A ⇒ f
– Ein fundamentaler Widerspruch ist die Aussage, daß jede Aussage gilt
– f ≡ (∀P ) P
• Existenzquantor
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
– A ∧ B gilt, wenn jede Aussage, die aus A und B folgt, gültig ist
– A ∧ B ≡ (∀P )((A ⇒ B ⇒ P ) ⇒ P )
• Disjunktion
– A ∨ B gilt, wenn jede Aussage gültig ist, die aus A und auch aus B folgt
– A ∨ B ≡ (∀P )((A ⇒ P ) ⇒ (B ⇒ P ) ⇒ P )
• Negation ist eine Abkürzung: ¬A ≡ A ⇒ f
– Ein fundamentaler Widerspruch ist die Aussage, daß jede Aussage gilt
– f ≡ (∀P ) P
• Existenzquantor
– (∃x)B gilt, wenn jede Aussage gilt, die aus einem beliebigen B[x] folgt
– (∃x) B ≡ (∀P )(∀x) ((B ⇒ P ) ⇒ P )
• Gleichheit
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Abhängige Datentypen
Logik ist durch abhängige Datentypen codierbar
• Konjunktion
– A ∧ B gilt, wenn jede Aussage, die aus A und B folgt, gültig ist
– A ∧ B ≡ (∀P )((A ⇒ B ⇒ P ) ⇒ P )
• Disjunktion
– A ∨ B gilt, wenn jede Aussage gültig ist, die aus A und auch aus B folgt
– A ∨ B ≡ (∀P )((A ⇒ P ) ⇒ (B ⇒ P ) ⇒ P )
• Negation ist eine Abkürzung: ¬A ≡ A ⇒ f
– Ein fundamentaler Widerspruch ist die Aussage, daß jede Aussage gilt
– f ≡ (∀P ) P
• Existenzquantor
– (∃x)B gilt, wenn jede Aussage gilt, die aus einem beliebigen B[x] folgt
– (∃x) B ≡ (∀P )(∀x) ((B ⇒ P ) ⇒ P )
• Gleichheit
– x=y gilt, wenn kein Prädikat x von y unterscheiden kann
– x=y ≡ (∀P ) (P (x) ⇒ P (y))
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Abhängige Datentypen
Abhängige Typen sind eine sinnvolle Erweiterung
• Zentrale Konzepte werden darstellbar
– Boolesche Ausdrücke, Natürliche Zahlen, Listen, Produkte, Summen
– Logischen Operatoren, Gleichheit
– Abhängigkeitsstrukturen in Modellierungskonzepten (Automaten, . . . )
– Abhängigkeitsstrukturen in Programmiersprachen (Records, . . . )
• Unbegrenzte Selbstanwendung bleibt untypisierbar
– λx.x x ist nicht typisierbar, da T = x:T →T keine Lösung hat
– Parametrisierung wie bei N führt zu stark begrenzter Selbstanwendung
In λx.x(X) x hätte x den Typ T = X:U→X→X
Die Gleichung T = T :U→T →T enthält keine direkte Selbstreferenz
• Es gibt einfache und natürliche semantische Modelle
– x:S→T [x] entspricht Abbildungen in eine Familie von Bildbereichen
Gibt es Probleme?
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Abhängige Datentypen
Abhängigkeiten und Universen
• Abhängigkeiten benötigen “höhere Typen”
– Im Ausdruck x:S→T erscheint x frei in T
Für beliebige s ∈ S muß T [s/x] Typ sein, also T [s/x] ∈ U gelten
β
– Beschreibung von x:S→T benötigt Funktion T̂ mit T̂ (s) −→ T [s/x]
T̂ muß für jedes s ∈ S einen Typ liefern, d.h. T̂ ∈ S→U
– Der Typ von T̂ enthält das Universum aller Typen
Der Raum S→U muß selbst ein Typ sein
• Das Universum U bekommt eine Doppelrolle
– U ist Repräsentant des Universums aller Typen
– U ist selbst ein Typ und gehört damit zum Universum aller Typen
– Eine direkte Formalisierung dieser Einsicht wäre das Axiom U ∈ U
Wie tragfähig ist eine solche Typentheorie?
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Abhängige Datentypen
Die Mathematik von U ∈ U
(Martin-Löf, 1971)
• Einfacher, extrem ausdrucksstarker Kalkül
– Ein Grundkonstrukt x:S→T mit 5 (bzw. 8) Inferenzregeln reicht aus
– Alle Konzepte der Mathematik und Informatik können codiert werden
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Abhängige Datentypen
Die Mathematik von U ∈ U
(Martin-Löf, 1971)
• Einfacher, extrem ausdrucksstarker Kalkül
– Ein Grundkonstrukt x:S→T mit 5 (bzw. 8) Inferenzregeln reicht aus
– Alle Konzepte der Mathematik und Informatik können codiert werden
• Russel’s Paradox ist trotz U ∈ U nicht formulierbar
– Die Menge {S | S 6∈ S} ist nicht typisierbar
– Beide Instanzen von S müssen verschiedene Typen haben
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Abhängige Datentypen
Die Mathematik von U ∈ U
(Martin-Löf, 1971)
• Einfacher, extrem ausdrucksstarker Kalkül
– Ein Grundkonstrukt x:S→T mit 5 (bzw. 8) Inferenzregeln reicht aus
– Alle Konzepte der Mathematik und Informatik können codiert werden
• Russel’s Paradox ist trotz U ∈ U nicht formulierbar
– Die Menge {S | S 6∈ S} ist nicht typisierbar
– Beide Instanzen von S müssen verschiedene Typen haben
• Die Theorie scheitert dennoch an Girard’s Paradox
– Auf U läßt sich eine wohlfundierte Ordnung formalisieren, die eine
unendliche absteigende Kette enthält
(Girard, 1972)
– Satz: Jede Theorie mit x:S→T und U ∈ U ist inkonsistent (Folie 13)
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Abhängige Datentypen
Die Mathematik von U ∈ U
(Martin-Löf, 1971)
• Einfacher, extrem ausdrucksstarker Kalkül
– Ein Grundkonstrukt x:S→T mit 5 (bzw. 8) Inferenzregeln reicht aus
– Alle Konzepte der Mathematik und Informatik können codiert werden
• Russel’s Paradox ist trotz U ∈ U nicht formulierbar
– Die Menge {S | S 6∈ S} ist nicht typisierbar
– Beide Instanzen von S müssen verschiedene Typen haben
• Die Theorie scheitert dennoch an Girard’s Paradox
– Auf U läßt sich eine wohlfundierte Ordnung formalisieren, die eine
unendliche absteigende Kette enthält
(Girard, 1972)
– Satz: Jede Theorie mit x:S→T und U ∈ U ist inkonsistent (Folie 13)
• Andere Formalisierung des Konzepts “Typsein” nötig
– Konsistente und ausdruckstarke Typentheorien werden komplexer sein
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Abhängige Datentypen
Girard’s Paradox
• Grundlage: Burali-Forti Paradox für Ordinalzahlen
– Betrachte Menge aller Wohlordnungen (M ,<M ) auf Mengen M ∈ U
<M transitiv, ohne unendlich absteigende Kette x0>M x1>M x2 . . .
– Definiere eine Ordnung auf dieser Menge
(M, <M ) <U (M ′, <M ′ )
≡ (∃f :M →M ′) (f ordnungsisomorph ∧ (∃y)(∀x)(f (x) <M ′ y))
– Dann ist (U,<U) eine Wohlordnung und (M, <M ) <U (U, <U)
gilt für jede Wohlordnung (M ,<M ) mit M ∈ U
– Damit ist (U,<U) ist ein maximales Element dieser Ordnung
– Wegen U ∈ U folgt aber auch (U, <U) <U (U, <U)
– Damit gibt es in <U eine unendlich absteigende Kette
• Paradox ist in allen Typtheorien mit U ∈ U formulierbar
– Alle Ordnungskonzepte sind mit Higher-Order Quantoren definierbar
– x:S→T reicht zur Formalisierung der Quantoren
– U ∈ U ist grundlegend für obiges Argument
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Abhängige Datentypen
Formalisierungen des Konzepts “Typsein”
• Typentheorie benötigt Universum und Abhängigkeiten
– Universum U notwendig zur Formulierung des “Typseins”
– Abhängige Datentypen sind notwendig für die Ausdruckskraft
– Formulierung der Abhängigkeit benötigt Typen mit freien Variablen
– U darf selbst kein Typ sein
• Syntaktische Alternative
System F, Coq (Folie 15)
– Trennung: Variablen in Typausdrücken sind keine Objektvariablen
Funktionen der Form T̂ ∈ S→U werden für x:S→T [x] nicht benötigt
– Alles andere kann im Prinzip beibehalten werden
• Semantische Alternative
Martin-Löf (1978), Nuprl (Folie 16)
– Unterschied von Objekt- und Typausdrücken liegt in der Bedeutung
U und S→U sind keine “einfache” Typen wie N oder S→T
– Universum gliedert sich in Stufen U ∈ U2 ∈ U3 . . .
Nur die Gesamtheit aller Stufen beschreibt das “Typsein”
Keine der Alternativen ist perfekt
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Abhängige Datentypen
Syntaktische Abtrennung des Universums
• Spezielle Syntax vermeidet U in Typausdrücken
– Strikte syntaktische Trennung von Objekt- und Typausdrücken
– In x:S→T [x] ist x eine Spezies Variable
und T [x] ein Typ mit Parameter aus S
• Girard’s Paradox wird elegant umgangen
– Typisierte Objekte können selbst keine Typen enthalten
– U ist selbst kein Typ, daher ist U ∈ U nicht formulierbar
– Unklar ob andere Paradoxien formulierbar sind (unwahrscheinlich)
• Theorie kann minimal bleiben
– Nur abhängiger Funktionenraum (“Π-Type”) erforderlich
– Andere Konzepte wie bisher repräsentierbar
• Beweisformalismus hat relativ komplexe Syntax
– Formulierung von Coq verbessert System F signifikant
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Abhängige Datentypen
Semantische Auftrennung des Universums
• Semantisch der klarste Ansatz
Martin-Löf (1978)
– Abstraktes ‘Typsein’ ist syntaktisch nicht mit einem Konzept erfaßbar
Ein Universum von Typen ist selbst kein einfacher Typ
– Universum einfacher Typen ist Element eines höheren Universums
• Führt zu Typhierarchie U ∈ U2 ∈ U3. . .
– Typsein ist nur durch Gesamtheit aller Universen repräsentierbar
– Komplikationen mit Mischtypen wie S→U lassen sich durch
kumulative Universen U⊆U2⊆U3 . . . vermeiden
• Formulierung der Theorie einfach, aber umfangreich
– Viele Typkonstrukte sind nicht in voller Allgemeinheit simulierbar
– Nichtsimulierbare Konzepte müssen explizit formalisiert werden
Aufwendig für Theorieentwickler, aber nützlich für Anwender
– Nuprl fügt weitere Typkonstrukte zu Martin-Löf’s Theorie hinzu
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Abhängige Datentypen
Typentheorie – wohin?
• Die Theorie abhängiger Typen ist sehr ausdrucksstark
– Umfaßt Prädikatenlogik (Logische Struktur von Formeln)
+ λ-Kalkül
(Wert von Termen)
+ Typzugehörigkeit (Eigenschaften von Termen)
• Rahmen ist Typzugehörigkeit mit Gleichheit s=t ∈ T
– Nur die Zielsetzungen der Anwendungen sind unterschiedlich
Logik: Finde eine Evidenz e mit e=e ∈ [P ]
(Witness finding)
λ-Kalkül: Berechne Wert t von s mit s=t ∈ T
Type checking: Finde und prüfe Typ T mit t=t ∈ T
(Typ-Inferenz)
Programmverifikation: Prüfe Eigenschaft P eines Programs, also p=p ∈ P
Programmsynthese: Konstruiere Programm aus Spezifikation mit p=p ∈ P
– Für alle Aspekte reicht ein einheitlicher Kalkül
• Minimalistische Formalisierung ist inkonsistent
– Eine einfache Erweiterung der Theorie ist nicht möglich
• Eine Revision der Typentheorie ist erforderlich
– Grundlegende Neuformulierung auf Basis der bisherigen Erkenntnisse
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Abhängige Datentypen