Quelle  Lambda.thy   Sprache: Isabelle

 
(*  Title:      HOL/Proofs/Lambda/Lambda.thy
    Author:     Tobias Nipkow
    Copyright   1995 TU Muenchen
*)


section \<open>Basic definitions of Lambda-calculus\<close>

theory Lambda
imports Main
begin

declare [[syntax_ambiguity_warning = false]]


subsection \<open>Lambda-terms in de Bruijn notation and substitution\<close>

datatype dB =
    Var nat
  | App dB dB (infixl \<open>\<degree>\<close> 200)
  | Abs dB

primrec
  lift :: "[dB, nat] => dB"
where
    "lift (Var i) k = (if i < k then Var i else Var (i + 1))"
  | "lift (s \ t) k = lift s k \ lift t k"
  | "lift (Abs s) k = Abs (lift s (k + 1))"

primrec
  subst :: "[dB, dB, nat] => dB"  (\<open>_[_'/_]\<close> [300, 0, 0] 300)
where (* FIXME base names *)
    subst_Var: "(Var i)[s/k] =
      (if k < i then Var (i - 1) else if i = k then s else Var i)"
  | subst_App: "(t \ u)[s/k] = t[s/k] \ u[s/k]"
  | subst_Abs: "(Abs t)[s/k] = Abs (t[lift s 0 / k+1])"

declare subst_Var [simp del]

text \<open>Optimized versions of \<^term>\<open>subst\<close> and \<^term>\<open>lift\<close>.\<close>

primrec
  liftn :: "[nat, dB, nat] => dB"
where
    "liftn n (Var i) k = (if i < k then Var i else Var (i + n))"
  | "liftn n (s \ t) k = liftn n s k \ liftn n t k"
  | "liftn n (Abs s) k = Abs (liftn n s (k + 1))"

primrec
  substn :: "[dB, dB, nat] => dB"
where
    "substn (Var i) s k =
      (if k < i then Var (i - 1) else if i = k then liftn k s 0 else Var i)"
  | "substn (t \ u) s k = substn t s k \ substn u s k"
  | "substn (Abs t) s k = Abs (substn t s (k + 1))"


subsection \<open>Beta-reduction\<close>

inductive beta :: "[dB, dB] => bool"  (infixl \<open>\<rightarrow>\<^sub>\<beta>\<close> 50)
  where
    beta [simp, intro!]: "Abs s \ t \\<^sub>\ s[t/0]"
  | appL [simp, intro!]: "s \\<^sub>\ t \ s \ u \\<^sub>\ t \ u"
  | appR [simp, intro!]: "s \\<^sub>\ t \ u \ s \\<^sub>\ u \ t"
  | abs [simp, intro!]: "s \\<^sub>\ t \ Abs s \\<^sub>\ Abs t"

abbreviation
  beta_reds :: "[dB, dB] => bool"  (infixl \<open>\<rightarrow>\<^sub>\<beta>\<^sup>*\<close> 50) where
  "s \\<^sub>\\<^sup>* t == beta\<^sup>*\<^sup>* s t"

inductive_cases beta_cases [elim!]:
  "Var i \\<^sub>\ t"
  "Abs r \\<^sub>\ s"
  "s \ t \\<^sub>\ u"

declare if_not_P [simp] not_less_eq [simp]
  \<comment> \<open>don't add \<open>r_into_rtrancl[intro!]\<close>\<close>


subsection \<open>Congruence rules\<close>

lemma rtrancl_beta_Abs [intro!]:
    "s \\<^sub>\\<^sup>* s' \ Abs s \\<^sub>\\<^sup>* Abs s'"
  by (induct set: rtranclp) (blast intro: rtranclp.rtrancl_into_rtrancl)+

lemma rtrancl_beta_AppL:
    "s \\<^sub>\\<^sup>* s' \ s \ t \\<^sub>\\<^sup>* s' \ t"
  by (induct set: rtranclp) (blast intro: rtranclp.rtrancl_into_rtrancl)+

lemma rtrancl_beta_AppR:
    "t \\<^sub>\\<^sup>* t' \ s \ t \\<^sub>\\<^sup>* s \ t'"
  by (induct set: rtranclp) (blast intro: rtranclp.rtrancl_into_rtrancl)+

lemma rtrancl_beta_App [intro]:
    "\s \\<^sub>\\<^sup>* s'; t \\<^sub>\\<^sup>* t'\ \ s \ t \\<^sub>\\<^sup>* s' \ t'"
  by (blast intro!: rtrancl_beta_AppL rtrancl_beta_AppR intro: rtranclp_trans)


subsection \<open>Substitution-lemmas\<close>

lemma subst_eq [simp]: "(Var k)[u/k] = u"
  by (simp add: subst_Var)

lemma subst_gt [simp]: "i < j \ (Var j)[u/i] = Var (j - 1)"
  by (simp add: subst_Var)

lemma subst_lt [simp]: "j < i \ (Var j)[u/i] = Var j"
  by (simp add: subst_Var)

lemma lift_lift:
    "i < k + 1 \ lift (lift t i) (Suc k) = lift (lift t k) i"
  by (induct t arbitrary: i k) auto

lemma lift_subst [simp]:
    "j < i + 1 \ lift (t[s/j]) i = (lift t (i + 1)) [lift s i / j]"
  by (induct t arbitrary: i j s)
    (simp_all add: diff_Suc subst_Var lift_lift split: nat.split)

lemma lift_subst_lt:
    "i < j + 1 \ lift (t[s/j]) i = (lift t i) [lift s i / j + 1]"
  by (induct t arbitrary: i j s) (simp_all add: subst_Var lift_lift)

lemma subst_lift [simp]:
    "(lift t k)[s/k] = t"
  by (induct t arbitrary: k s) simp_all

lemma subst_subst:
    "i < j + 1 \ t[lift v i / Suc j][u[v/j]/i] = t[u/i][v/j]"
  by (induct t arbitrary: i j u v)
    (simp_all add: diff_Suc subst_Var lift_lift [symmetric] lift_subst_lt
      split: nat.split)


subsection \<open>Equivalence proof for optimized substitution\<close>

lemma liftn_0 [simp]: "liftn 0 t k = t"
  by (induct t arbitrary: k) (simp_all add: subst_Var)

lemma liftn_lift [simp]: "liftn (Suc n) t k = lift (liftn n t k) k"
  by (induct t arbitrary: k) (simp_all add: subst_Var)

lemma substn_subst_n [simp]: "substn t s n = t[liftn n s 0 / n]"
  by (induct t arbitrary: n) (simp_all add: subst_Var)

theorem substn_subst_0: "substn t s 0 = t[s/0]"
  by simp


subsection \<open>Preservation theorems\<close>

text \<open>Not used in Church-Rosser proof, but in Strong
  Normalization. \medskip\<close>

theorem subst_preserves_beta [simp]:
    "r \\<^sub>\ s \ r[t/i] \\<^sub>\ s[t/i]"
  by (induct arbitrary: t i set: beta) (simp_all add: subst_subst [symmetric])

theorem subst_preserves_beta': "r \\<^sub>\\<^sup>* s \ r[t/i] \\<^sub>\\<^sup>* s[t/i]"
proof (induct set: rtranclp)
  case base
  then show ?case
    by (iprover intro: rtrancl_refl)
next
  case (step y z)
  then show ?case
    by (iprover intro: rtranclp.simps subst_preserves_beta)
qed

theorem lift_preserves_beta [simp]:
    "r \\<^sub>\ s \ lift r i \\<^sub>\ lift s i"
  by (induct arbitrary: i set: beta) auto

theorem lift_preserves_beta': "r \\<^sub>\\<^sup>* s \ lift r i \\<^sub>\\<^sup>* lift s i"
proof (induct set: rtranclp)
  case base
  then show ?case
    by (iprover intro: rtrancl_refl)
next
  case (step y z)
  then show ?case
    by (iprover intro: lift_preserves_beta rtranclp.simps)
qed

theorem subst_preserves_beta2 [simp]: "r \\<^sub>\ s \ t[r/i] \\<^sub>\\<^sup>* t[s/i]"
proof (induct t arbitrary: r s i)
  case (Var x)
  then show ?case
    by (simp add: subst_Var r_into_rtranclp)
next
  case (App t1 t2)
  then show ?case 
    by (simp add: rtrancl_beta_App)
next
  case (Abs t)
  then show ?case by (simp add: rtrancl_beta_Abs)
qed


theorem subst_preserves_beta2': "r \\<^sub>\\<^sup>* s \ t[r/i] \\<^sub>\\<^sup>* t[s/i]"
proof (induct set: rtranclp)
  case base
  then show ?case by (iprover intro: rtrancl_refl)
next
  case (step y z)
  then show ?case
    by (iprover intro: rtranclp_trans subst_preserves_beta2)
qed

end

100%


¤ Dauer der Verarbeitung: 0.13 Sekunden  (vorverarbeitet)  ¤

*© Formatika GbR, Deutschland






Wurzel

Suchen

Beweissystem der NASA

Beweissystem Isabelle

NIST Cobol Testsuite

Cephes Mathematical Library

Wiener Entwicklungsmethode

Haftungshinweis

Die Informationen auf dieser Webseite wurden nach bestem Wissen sorgfältig zusammengestellt. Es wird jedoch weder Vollständigkeit, noch Richtigkeit, noch Qualität der bereit gestellten Informationen zugesichert.

Bemerkung:

Die farbliche Syntaxdarstellung ist noch experimentell.






                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     


Neuigkeiten

     Aktuelles
     Motto des Tages

Software

     Produkte
     Quellcodebibliothek

Aktivitäten

     Artikel über Sicherheit
     Anleitung zur Aktivierung von SSL

Muße

     Gedichte
     Musik
     Bilder

Jenseits des Üblichen ....

Besucherstatistik

Besucherstatistik

Monitoring

Montastic status badge