Adequacy: 指称语义相对于操作语义的充分性
module plfa.part3.Adequacy where
引言
在上一章中证明了保型性后,接下来自然就是证明可进性了,即证明以下性质:
若 `γ ⊢ M ↓ v`,那么对于某个 `M`,要么 `M` 是一个λ-抽象,要么 `M —→ N`。这样的性质告诉我们,拥有一个指称蕴含了要么可归约为范式,要么发散。 虽然确实如此,但是我们可以证明一个更强的性质!事实上,拥有某个函数值(非 ⊥)的指称蕴含了它可归约为 λ-抽象。
这种更强的属性可重新表述为充分性(Adequacy)。 也就是说,如果项 M 指称等价于一个 λ-抽象,那么 M 就能归约为该 λ-抽象。
对于某个 N' 而言,ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) 蕴含 M —↠ ƛ N'回想一下,对于某些 v 和 w,ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) 等价于 γ ⊢ M ↓ (v ↦ w)。 我们将证明 γ ⊢ M ↓ (v ↦ w) 蕴含了 λ-抽象的多步归约。γ ⊢ M ↓ (v ↦ w) 的推导过程的递归结构与多步归约的结构完全不同,所以直接证明是很困难的。 然而,γ ⊢ M ↓ (v ↦ w) 的结构更接近大步的传名求值。 此外,我们已经证明大步求值意味着多步归约为 λ(cbn→reduce)。 所以我们要证明 γ ⊢ M ↓ (v ↦ w) 蕴含 γ' ⊢ M ⇓ c,其中 c 是一个闭包 (一个项与环境的序对),γ' 是一个环境,它将变量映射为闭包,并且 γ 和 γ' 以适当的方式相关联。证明过程是对 γ ⊢ M ↓ v 的推导过程的归纳, 为了加强归纳假设,我们将使用 逻辑关系(Logical Relation) 𝕍 将语义值与闭包关联起来。
本章后面内容的结构组织如下:
为了使关系
𝕍相对于⊑向下封闭,我们必须放宽M的结果必须为函数值的要求, 转而要求M的结果大于或等于某个函数值。我们建立了几个关于“大于某个函数”的性质。我们定义了逻辑关系
𝕍将值和闭包关联了起来,并将它扩展为项𝔼和环境𝔾之间的关系。我们证明了几个引理,最终得出以下性质:若𝕍 v c且v′ ⊑ v,则𝕍 v′ c。我们证明了主引理:若
𝔾 γ γ'且γ ⊢ M ↓ v,则𝔼 v (clos M γ')。我们证明了主引理的推论的充分性。
导入
open import Relation.Binary.PropositionalEquality using (_≡_; refl) open import Data.Product.Base using (_×_; Σ; Σ-syntax; ∃; ∃-syntax; proj₁; proj₂) renaming (_,_ to ⟨_,_⟩) open import Data.Sum.Base using (_⊎_; inj₁; inj₂) open import Relation.Nullary.Negation using (¬_; contradiction) open import Data.Empty using () renaming (⊥ to Bot) open import Data.Unit.Base using (tt; ⊤) open import Relation.Nullary.Decidable using (Dec; yes; no) open import Function.Base using (_∘_) open import plfa.part2.Untyped using (Context; _⊢_; ★; _∋_; ∅; _,_; Z; S_; `_; ƛ_; _·_; rename; subst; ext; exts; _[_]; subst-zero; _—↠_; _—→⟨_⟩_; _∎; _—→_; ξ₁; ξ₂; β; ζ) open import plfa.part2.Substitution using (ids; sub-id) open import plfa.part2.BigStep using (Clos; clos; ClosEnv; ∅'; _,'_; _⊢_⇓_; ⇓-var; ⇓-lam; ⇓-app; ⇓-determ; cbn→reduce) open import plfa.part3.Denotational using (Value; Env; `∅; _`,_; _↦_; _⊑_; _⊢_↓_; ⊥; all-funs∈; _⊔_; ∈→⊑; var; ↦-elim; ↦-intro; ⊔-intro; ⊥-intro; sub; ℰ; _≃_; _iff_; ⊑-trans; ⊑-conj-R1; ⊑-conj-R2; ⊑-conj-L; ⊑-refl; ⊑-fun; ⊑-bot; ⊑-dist; sub-inv-fun) open import plfa.part3.Soundness using (soundness)
大于或等于某个函数的性质
我们定义以下简写来表示一个值大于或等于某个函数值:
above-fun : Value → Set above-fun u = Σ[ v ∈ Value ] Σ[ w ∈ Value ] v ↦ w ⊑ u
如果值 u 大于某个函数,那么更大的值 u' 也大于该函数:
above-fun-⊑ : ∀{u u' : Value} → above-fun u → u ⊑ u' ------------------- → above-fun u' above-fun-⊑ ⟨ v , ⟨ w , lt' ⟩ ⟩ lt = ⟨ v , ⟨ w , ⊑-trans lt' lt ⟩ ⟩
底值 ⊥ 不大于任何某个函数:
above-fun⊥ : ¬ above-fun ⊥ above-fun⊥ ⟨ v , ⟨ w , lt ⟩ ⟩ with sub-inv-fun lt ... | ⟨ Γ , ⟨ f , ⟨ Γ⊆⊥ , ⟨ lt1 , lt2 ⟩ ⟩ ⟩ ⟩ with all-funs∈ f ... | ⟨ A , ⟨ B , m ⟩ ⟩ with Γ⊆⊥ m ... | ()
若两个值 u 和 u' 的连接大于某个函数,那么至少其中之一大于该函数:
above-fun-⊔ : ∀{u u'} → above-fun (u ⊔ u') → above-fun u ⊎ above-fun u' above-fun-⊔{u}{u'} ⟨ v , ⟨ w , v↦w⊑u⊔u' ⟩ ⟩ with sub-inv-fun v↦w⊑u⊔u' ... | ⟨ Γ , ⟨ f , ⟨ Γ⊆u⊔u' , ⟨ lt1 , lt2 ⟩ ⟩ ⟩ ⟩ with all-funs∈ f ... | ⟨ A , ⟨ B , m ⟩ ⟩ with Γ⊆u⊔u' m ... | inj₁ x = inj₁ ⟨ A , ⟨ B , (∈→⊑ x) ⟩ ⟩ ... | inj₂ x = inj₂ ⟨ A , ⟨ B , (∈→⊑ x) ⟩ ⟩
另一方面,若 u 和 u' 都不大于某个函数,那么它们的连接都不大于该函数:
not-above-fun-⊔ : ∀{u u' : Value} → ¬ above-fun u → ¬ above-fun u' → ¬ above-fun (u ⊔ u') not-above-fun-⊔ naf1 naf2 af12 with above-fun-⊔ af12 ... | inj₁ af1 = contradiction af1 naf1 ... | inj₂ af2 = contradiction af2 naf2
反之亦然。如果两个值的连接不都不大于某个函数,那么它们各自都不大于该函数。
not-above-fun-⊔-inv : ∀{u u' : Value} → ¬ above-fun (u ⊔ u') → ¬ above-fun u × ¬ above-fun u' not-above-fun-⊔-inv af = ⟨ f af , g af ⟩ where f : ∀{u u' : Value} → ¬ above-fun (u ⊔ u') → ¬ above-fun u f{u}{u'} af12 ⟨ v , ⟨ w , lt ⟩ ⟩ = contradiction ⟨ v , ⟨ w , ⊑-conj-R1 lt ⟩ ⟩ af12 g : ∀{u u' : Value} → ¬ above-fun (u ⊔ u') → ¬ above-fun u' g{u}{u'} af12 ⟨ v , ⟨ w , lt ⟩ ⟩ = contradiction ⟨ v , ⟨ w , ⊑-conj-R2 lt ⟩ ⟩ af12
「大于某个函数值」的性质是可判定的,如以下函数所示:
above-fun? : (v : Value) → Dec (above-fun v) above-fun? ⊥ = no above-fun⊥ above-fun? (v ↦ w) = yes ⟨ v , ⟨ w , ⊑-refl ⟩ ⟩ above-fun? (u ⊔ u') with above-fun? u | above-fun? u' ... | yes ⟨ v , ⟨ w , lt ⟩ ⟩ | _ = yes ⟨ v , ⟨ w , (⊑-conj-R1 lt) ⟩ ⟩ ... | no _ | yes ⟨ v , ⟨ w , lt ⟩ ⟩ = yes ⟨ v , ⟨ w , (⊑-conj-R2 lt) ⟩ ⟩ ... | no x | no y = no (not-above-fun-⊔ x y)
将值关联到闭包
接下来我们将语义值关联至闭包。关系 𝕍 应用于项是 λ-抽象的闭包,即 弱头范式(weak-head normal form,缩写 WHNF)。关系 𝔼 应用于任意闭包。 大致来说,当 v 大于某个函数值,c 在 WHNF 中求值为闭包 c',且 𝕍 v c' 时,𝔼 v c 成立。对于 𝕍 v c 而言,它在 c 位于 WHNF 中时成立, 且若 v 是某个函数,则 c 的主体根据 v 进行求值。
𝕍 : Value → Clos → Set 𝔼 : Value → Clos → Set
我们将 𝕍 定义为一个从值和闭包到 Set 的函数,而非数据类型, 因为它在否定的位置(蕴含式的左侧)与 𝔼 互递归。 我们首先对闭包中的项进行情况分析。若该项是一个变量或应用,则 𝕍 为假(Bot)。若该项是一个 λ-抽象,则 𝕍 对值进行递归,如下所述:
𝕍 v (clos (` x₁) γ) = Bot 𝕍 v (clos (M · M₁) γ) = Bot 𝕍 ⊥ (clos (ƛ M) γ) = ⊤ 𝕍 (v ↦ w) (clos (ƛ N) γ) = (∀{c : Clos} → 𝔼 v c → above-fun w → Σ[ c' ∈ Clos ] (γ ,' c) ⊢ N ⇓ c' × 𝕍 w c') 𝕍 (u ⊔ v) (clos (ƛ N) γ) = 𝕍 u (clos (ƛ N) γ) × 𝕍 v (clos (ƛ N) γ)
若值为
⊥,则结果为真(⊤)。若值是一个连接(
u ⊔ v),则结果是一个𝕍为真时u和v的序对(合取)。最关键的情况是函数值
v ↦ w和闭包clos (ƛ N) γ。给定任意闭包c使得𝔼 v c,若w大于某个函数,则N求值(用c扩展γ) 为某个闭包c',于是我们有𝕍 w c'。
𝔼 的定义非常直白:若 v 大于某个函数,则 M 求值为一个与 v 关联的闭包。
𝔼 v (clos M γ') = above-fun v → Σ[ c ∈ Clos ] γ' ⊢ M ⇓ c × 𝕍 v c
主引理通过对 γ ⊢ M ↓ v 进行归纳来证明,所以它属于 λ-抽象的情况, 因而必须对开项(即带变量的项)进行论证。 因此,我们必须将语义值的环境与闭包的环境关联起来。 在下文中,如果对应的值和闭包通过 𝔼 相关联,则 𝔾 将 γ 与 γ' 相关联。
𝔾 : ∀{Γ} → Env Γ → ClosEnv Γ → Set 𝔾 {Γ} γ γ' = ∀{x : Γ ∋ ★} → 𝔼 (γ x) (γ' x) 𝔾-∅ : 𝔾 `∅ ∅' 𝔾-∅ {()} 𝔾-ext : ∀{Γ}{γ : Env Γ}{γ' : ClosEnv Γ}{v c} → 𝔾 γ γ' → 𝔼 v c → 𝔾 (γ `, v) (γ' ,' c) 𝔾-ext {Γ} {γ} {γ'} g e {Z} = e 𝔾-ext {Γ} {γ} {γ'} g e {S x} = g
我们需要一些关系 𝕍 和 𝔼 的相关性质。首先 𝕍 关系中的闭包必须是弱头范式(WHNF)。 我们将 WHNF 定义如下:
data WHNF : ∀ {Γ A} → Γ ⊢ A → Set where ƛ_ : ∀ {Γ} {N : Γ , ★ ⊢ ★} → WHNF (ƛ N)
可通过对闭包中的项进行情况分析证明:
𝕍→WHNF : ∀{Γ}{γ : ClosEnv Γ}{M : Γ ⊢ ★}{v} → 𝕍 v (clos M γ) → WHNF M 𝕍→WHNF {M = ` x} {v} () 𝕍→WHNF {M = ƛ N} {v} vc = ƛ_ 𝕍→WHNF {M = L · M} {v} ()
接着我们有一条 𝕍 的引入规则,它类似于 ⊔-intro 规则。 若 u 和 v 都与闭包 c 相关联,则它们的连接也与 c 相关联:
𝕍⊔-intro : ∀{c u v} → 𝕍 u c → 𝕍 v c --------------- → 𝕍 (u ⊔ v) c 𝕍⊔-intro {clos (` x) γ} () vc 𝕍⊔-intro {clos (ƛ N) γ} uc vc = ⟨ uc , vc ⟩ 𝕍⊔-intro {clos (L · M) γ} () vc
In a moment we prove that 𝕍 is preserved when going from a greater value to a lesser value: if 𝕍 v c and v' ⊑ v, then 𝕍 v' c. This property, named sub-𝕍, is needed by the main lemma in the case for the sub rule. 稍后我们证明当从较大值映射到较小值时,𝕍 保持成立:若 𝕍 v c 且 v' ⊑ v 则 𝕍 v' c。我们将此性质命名为 sub-𝕍,它会在 sub 规则的情况的主引理中用到。
为了证明 sub-𝕍,我们还需要以下关于「不大于函数的值」,也就是等价于 ⊥ 的值的属性。在此情况下,𝕍 v (clos (ƛ N) γ') 平凡成立。
not-above-fun-𝕍 : ∀{v : Value}{Γ}{γ' : ClosEnv Γ}{N : Γ , ★ ⊢ ★ } → ¬ above-fun v ------------------- → 𝕍 v (clos (ƛ N) γ') not-above-fun-𝕍 {⊥} af = tt not-above-fun-𝕍 {v ↦ v'} af = contradiction ⟨ v , ⟨ v' , ⊑-refl ⟩ ⟩ af not-above-fun-𝕍 {v₁ ⊔ v₂} af with not-above-fun-⊔-inv af ... | ⟨ af1 , af2 ⟩ = ⟨ not-above-fun-𝕍 af1 , not-above-fun-𝕍 af2 ⟩
The proofs of sub-𝕍 and sub-𝔼 are intertwined.
sub-𝕍 : ∀{c : Clos}{v v'} → 𝕍 v c → v' ⊑ v → 𝕍 v' c sub-𝔼 : ∀{c : Clos}{v v'} → 𝔼 v c → v' ⊑ v → 𝔼 v' c
我们通过对闭包的项进行情况分析来证明 sub-𝕍,即将情况分为变量和应用两类, 然后我们对 v' ⊑ v 进行归纳。接下来详述每一种情况。
sub-𝕍 {clos (` x) γ} {v} () lt sub-𝕍 {clos (L · M) γ} () lt sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} vc ⊑-bot = tt sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} vc (⊑-conj-L lt1 lt2) = ⟨ (sub-𝕍 vc lt1) , sub-𝕍 vc lt2 ⟩ sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} ⟨ vv1 , vv2 ⟩ (⊑-conj-R1 lt) = sub-𝕍 vv1 lt sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} ⟨ vv1 , vv2 ⟩ (⊑-conj-R2 lt) = sub-𝕍 vv2 lt sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} vc (⊑-trans{v = v₂} lt1 lt2) = sub-𝕍 (sub-𝕍 vc lt2) lt1 sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} vc (⊑-fun lt1 lt2) ev1 sf with vc (sub-𝔼 ev1 lt1) (above-fun-⊑ sf lt2) ... | ⟨ c , ⟨ Nc , v4 ⟩ ⟩ = ⟨ c , ⟨ Nc , sub-𝕍 v4 lt2 ⟩ ⟩ sub-𝕍 {clos (ƛ N) γ} {v ↦ w ⊔ v ↦ w'} ⟨ vcw , vcw' ⟩ ⊑-dist ev1c sf with above-fun? w | above-fun? w' ... | yes af2 | yes af3 with vcw ev1c af2 | vcw' ev1c af3 ... | ⟨ clos L δ , ⟨ L⇓c₂ , 𝕍w ⟩ ⟩ | ⟨ c₃ , ⟨ L⇓c₃ , 𝕍w' ⟩ ⟩ rewrite ⇓-determ L⇓c₃ L⇓c₂ with 𝕍→WHNF 𝕍w ... | ƛ_ = ⟨ clos L δ , ⟨ L⇓c₂ , ⟨ 𝕍w , 𝕍w' ⟩ ⟩ ⟩ sub-𝕍 {c} {v ↦ w ⊔ v ↦ w'} ⟨ vcw , vcw' ⟩ ⊑-dist ev1c sf | yes af2 | no naf3 with vcw ev1c af2 ... | ⟨ clos {Γ'} L γ₁ , ⟨ L⇓c2 , 𝕍w ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF 𝕍w ... | ƛ_ {N = N'} = let 𝕍w' = not-above-fun-𝕍{w'}{Γ'}{γ₁}{N'} naf3 in ⟨ clos (ƛ N') γ₁ , ⟨ L⇓c2 , 𝕍⊔-intro 𝕍w 𝕍w' ⟩ ⟩ sub-𝕍 {c} {v ↦ w ⊔ v ↦ w'} ⟨ vcw , vcw' ⟩ ⊑-dist ev1c sf | no naf2 | yes af3 with vcw' ev1c af3 ... | ⟨ clos {Γ'} L γ₁ , ⟨ L⇓c3 , 𝕍w'c ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF 𝕍w'c ... | ƛ_ {N = N'} = let 𝕍wc = not-above-fun-𝕍{w}{Γ'}{γ₁}{N'} naf2 in ⟨ clos (ƛ N') γ₁ , ⟨ L⇓c3 , 𝕍⊔-intro 𝕍wc 𝕍w'c ⟩ ⟩ sub-𝕍 {c} {v ↦ w ⊔ v ↦ w'} ⟨ vcw , vcw' ⟩ ⊑-dist ev1c ⟨ v' , ⟨ w'' , lt ⟩ ⟩ | no naf2 | no naf3 with above-fun-⊔ ⟨ v' , ⟨ w'' , lt ⟩ ⟩ ... | inj₁ af2 = contradiction af2 naf2 ... | inj₂ af3 = contradiction af3 naf3
- 情况
⊑-bot:我们直接就有𝕍 ⊥ (clos (ƛ N) γ)。
情况
⊑-conj-L:v₁' ⊑ v v₂' ⊑ v ------------------- (v₁' ⊔ v₂') ⊑ v
归纳法则给出了 𝕍 v₁' (clos (ƛ N) γ) 和 𝕍 v₂' (clos (ƛ N) γ), 这就是本情况中所有需要的东西。
情况
⊑-conj-R1:v' ⊑ v₁ ------------- v' ⊑ (v₁ ⊔ v₂)
归纳法则给出了 𝕍 v' (clos (ƛ N) γ)。
情况
⊑-conj-R2:v' ⊑ v₂ ------------- v' ⊑ (v₁ ⊔ v₂)
同样,归纳法则给出了 𝕍 v' (clos (ƛ N) γ)。
情况
⊑-trans:v' ⊑ v₂ v₂ ⊑ v ----------------- v' ⊑ v
归纳法则 v₂ ⊑ v 给出了 𝕍 v₂ (clos (ƛ N) γ)。我们应用归纳法则 v' ⊑ v₂ 可得 𝕍 v' (clos (ƛ N) γ)。
情况
⊑-dist:这种情况是最困难的。我们有𝕍 (v ↦ w) (clos (ƛ N) γ) 𝕍 (v ↦ w') (clos (ƛ N) γ)需要证明
𝕍 (v ↦ (w ⊔ w')) (clos (ƛ N) γ)
令 c 为任意闭包使得 𝔼 v c。假设 w ⊔ w' 大于某个函数。 不幸的是,这并不意味着 w 和 w' 都大于该函数。但幸亏有引理 above-fun-⊔,我们知道它们中至少有一个大于该函数。
假设他们都大于该函数,则我们有
γ ⊢ N ⇓ clos L δ和𝕍 w (clos L δ)。 我们还有γ ⊢ N ⇓ c₃和𝕍 w' c₃。由于大步语义是可判定的,于是我们有c₃ ≡ clos L δ。此外,根据𝕍 w (clos L δ)我们知道对于某个N'有L ≡ ƛ N',于是可得𝕍 (w ⊔ w') (clos (ƛ N') δ)。假设其中之一大于该函数而另一个不大于:即
above-fun w且¬ above-fun w'。 那么根据𝕍 (v ↦ w) (clos (ƛ N) γ)我们有γ ⊢ N ⇓ clos L γ₁和𝕍 w (clos L γ₁)。据此我们有对于N'来说L ≡ ƛ N'。 同时,根据¬ above-fun w'我们有𝕍 w' (clos L γ₁)。于是我们可得𝕍 (w ⊔ w') (clos (ƛ N') γ₁)。
sub-𝔼 的证明很直接,如下所述:
sub-𝔼 {clos M γ} {v} {v'} 𝔼v v'⊑v fv' with 𝔼v (above-fun-⊑ fv' v'⊑v) ... | ⟨ c , ⟨ M⇓c , 𝕍v ⟩ ⟩ = ⟨ c , ⟨ M⇓c , sub-𝕍 𝕍v v'⊑v ⟩ ⟩
根据 above-fun v' 和 v' ⊑ v 我们有 above-fun v。 然后通过 𝔼 v c 我们得到一个闭包 c,使得 γ ⊢ M ⇓ c 且 𝕍 v c。 最后,我们应用 sub-𝕍 和 v' ⊑ v 即可证明 𝕍 v' c。
拥有函数指称的程序通过传名调用可停机
主引理证明了若一个项拥有大于某个函数的指称,则它通过传名调用(call-by-name)时可停机。 更形式化地说,若 γ ⊢ M ↓ v 且 𝔾 γ γ' 则 𝔼 v (clos M γ')。 证明通过对 γ ⊢ M ↓ v 的推导过程进行归纳得出,我们接下来讨论每种情况。
以下引理 kth-x 会在 var 规则的情况中用到:
kth-x : ∀{Γ}{γ' : ClosEnv Γ}{x : Γ ∋ ★} → Σ[ Δ ∈ Context ] Σ[ δ ∈ ClosEnv Δ ] Σ[ M ∈ Δ ⊢ ★ ] γ' x ≡ clos M δ kth-x{γ' = γ'}{x = x} with γ' x ... | clos{Γ = Δ} M δ = ⟨ Δ , ⟨ δ , ⟨ M , refl ⟩ ⟩ ⟩
↓→𝔼 : ∀{Γ}{γ : Env Γ}{γ' : ClosEnv Γ}{M : Γ ⊢ ★ }{v} → 𝔾 γ γ' → γ ⊢ M ↓ v → 𝔼 v (clos M γ') ↓→𝔼 {Γ} {γ} {γ'} 𝔾γγ' (var{x = x}) fγx with kth-x{Γ}{γ'}{x} | 𝔾γγ'{x = x} ... | ⟨ Δ , ⟨ δ , ⟨ M' , eq ⟩ ⟩ ⟩ | 𝔾γγ'x rewrite eq with 𝔾γγ'x fγx ... | ⟨ c , ⟨ M'⇓c , 𝕍γx ⟩ ⟩ = ⟨ c , ⟨ (⇓-var eq M'⇓c) , 𝕍γx ⟩ ⟩ ↓→𝔼 {Γ} {γ} {γ'} 𝔾γγ' (↦-elim{L = L}{M = M}{v = v₁}{w = v} d₁ d₂) fv with ↓→𝔼 𝔾γγ' d₁ ⟨ v₁ , ⟨ v , ⊑-refl ⟩ ⟩ ... | ⟨ clos L' δ , ⟨ L⇓L' , 𝕍v₁↦v ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF 𝕍v₁↦v ... | ƛ_ {N = N} with 𝕍v₁↦v {clos M γ'} (↓→𝔼 𝔾γγ' d₂) fv ... | ⟨ c' , ⟨ N⇓c' , 𝕍v ⟩ ⟩ = ⟨ c' , ⟨ ⇓-app L⇓L' N⇓c' , 𝕍v ⟩ ⟩ ↓→𝔼 {Γ} {γ} {γ'} 𝔾γγ' (↦-intro{N = N}{v = v}{w = w} d) fv↦w = ⟨ clos (ƛ N) γ' , ⟨ ⇓-lam , E ⟩ ⟩ where E : {c : Clos} → 𝔼 v c → above-fun w → Σ[ c' ∈ Clos ] (γ' ,' c) ⊢ N ⇓ c' × 𝕍 w c' E {c} 𝔼vc fw = ↓→𝔼 (λ {x} → 𝔾-ext{Γ}{γ}{γ'} 𝔾γγ' 𝔼vc {x}) d fw ↓→𝔼 𝔾γγ' ⊥-intro f⊥ = contradiction f⊥ above-fun⊥ ↓→𝔼 𝔾γγ' (⊔-intro{v = v₁}{w = v₂} d₁ d₂) fv12 with above-fun? v₁ | above-fun? v₂ ... | yes fv1 | yes fv2 with ↓→𝔼 𝔾γγ' d₁ fv1 | ↓→𝔼 𝔾γγ' d₂ fv2 ... | ⟨ c₁ , ⟨ M⇓c₁ , 𝕍v₁ ⟩ ⟩ | ⟨ c₂ , ⟨ M⇓c₂ , 𝕍v₂ ⟩ ⟩ rewrite ⇓-determ M⇓c₂ M⇓c₁ = ⟨ c₁ , ⟨ M⇓c₁ , 𝕍⊔-intro 𝕍v₁ 𝕍v₂ ⟩ ⟩ ↓→𝔼 𝔾γγ' (⊔-intro{v = v₁}{w = v₂} d₁ d₂) fv12 | yes fv1 | no nfv2 with ↓→𝔼 𝔾γγ' d₁ fv1 ... | ⟨ clos {Γ'} M' γ₁ , ⟨ M⇓c₁ , 𝕍v₁ ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF 𝕍v₁ ... | ƛ_ {N = N} = let 𝕍v₂ = not-above-fun-𝕍{v₂}{Γ'}{γ₁}{N} nfv2 in ⟨ clos (ƛ N) γ₁ , ⟨ M⇓c₁ , 𝕍⊔-intro 𝕍v₁ 𝕍v₂ ⟩ ⟩ ↓→𝔼 𝔾γγ' (⊔-intro{v = v₁}{w = v₂} d₁ d₂) fv12 | no nfv1 | yes fv2 with ↓→𝔼 𝔾γγ' d₂ fv2 ... | ⟨ clos {Γ'} M' γ₁ , ⟨ M'⇓c₂ , 𝕍2c ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF 𝕍2c ... | ƛ_ {N = N} = let 𝕍1c = not-above-fun-𝕍{v₁}{Γ'}{γ₁}{N} nfv1 in ⟨ clos (ƛ N) γ₁ , ⟨ M'⇓c₂ , 𝕍⊔-intro 𝕍1c 𝕍2c ⟩ ⟩ ↓→𝔼 𝔾γγ' (⊔-intro d₁ d₂) fv12 | no nfv1 | no nfv2 with above-fun-⊔ fv12 ... | inj₁ fv1 = contradiction fv1 nfv1 ... | inj₂ fv2 = contradiction fv2 nfv2 ↓→𝔼 {Γ} {γ} {γ'} {M} {v'} 𝔾γγ' (sub{v = v} d v'⊑v) fv' with ↓→𝔼 {Γ} {γ} {γ'} {M} 𝔾γγ' d (above-fun-⊑ fv' v'⊑v) ... | ⟨ c , ⟨ M⇓c , 𝕍v ⟩ ⟩ = ⟨ c , ⟨ M⇓c , sub-𝕍 𝕍v v'⊑v ⟩ ⟩
- 情况
var:在γ'中查找x会产生某个闭包,clos M' δ, 根据𝔾 γ γ'我们有𝔼 (γ x) (clos M' δ),根据前提above-fun (γ x)可得闭包c使得δ ⊢ M' ⇓ c且𝕍 (γ x) c。 为了通过⇓-var得出γ' ⊢ x ⇓ c,我们需要γ' x ≡ clos M' δ, 这很显然,但它需要通过kth-x引理让 Agda 施展一些「诡计」才能得到。
- 情况
↦-elim:我们有γ ⊢ L · M ↓ v。 归纳假设γ ⊢ L ↓ v₁ ↦ v给出了γ' ⊢ L ⇓ clos L' δ和𝕍 v (clos L' δ)。 当然,对某些N有L' ≡ ƛ N。根据归纳假设γ ⊢ M ↓ v₁,我们有𝔼 v₁ (clos M γ'),配合前提above-fun v和𝕍 v (clos L' δ), 可得闭包c'使得δ ⊢ N ⇓ c'且𝕍 v c'。最后根据规则⇓-app可得γ' ⊢ L · M ⇓ c'。
- 情况
↦-intro:我们有γ ⊢ ƛ N ↓ v ↦ w, 根据规则⇓-lam直接可得γ' ⊢ ƛ M ⇓ clos (ƛ M) γ', 但还需证明𝕍 (v ↦ w) (clos (ƛ N) γ')。 令c为任意闭包使得𝔼 v c。假设v'大于某个函数值, 需要证明对于某个c'有γ' , c ⊢ N ⇓ c'且𝕍 v' c'。 我们可通过归纳假设γ , v ⊢ N ↓ v'证明它,不过首先需要证明𝔾 (γ , v) (γ' , c),对此可通过引理𝔾-ext,利用𝔾 γ γ'和𝔼 v c这两个事实来证明。
- 情况
⊥-intro:我们有前提above-fun ⊥,但这是不可能的。
情况
⊔-intro:我们有γ ⊢ M ↓ (v₁ ⊔ v₂)和above-fun (v₁ ⊔ v₂), 需要证明对某个c有γ' ⊢ M ↓ c和𝕍 (v₁ ⊔ v₂) c。 同样,根据above-fun-⊔,v₁或v₂至少二者之一大于某个函数。假设
v₁和v₂二者均大于某个函数。根据归纳假设γ ⊢ M ↓ v₁和γ ⊢ M ↓ v₂,对于某个c₁和c₂我们有γ' ⊢ M ⇓ c₁、𝕍 v₁ c₁、γ' ⊢ M ⇓ c₂和𝕍 v₂ c₂。由于⇓是确定性的,因此我们有c₂ ≡ c₁。于是根据𝕍⊔-intro可得𝕍 (v₁ ⊔ v₂) c₁。不失一般性,假设
v₁大于某个函数但v₂不大于。根据归纳假设γ ⊢ M ↓ v₁并使用𝕍→WHNF,我们有γ' ⊢ M ⇓ clos (ƛ N) γ₁和𝕍 v₁ (clos (ƛ N) γ₁)。之后由于v₂不大于该函数,我们还有𝕍 v₂ (clos (ƛ N) γ₁)。于是可得𝕍 (v₁ ⊔ v₂) (clos (ƛ N) γ₁)。
- 情况
sub:我们有γ ⊢ M ↓ v、v' ⊑ v和above-fun v'。 我们需要证明对于某个c有γ' ⊢ M ⇓ c且𝕍 v' c。 根据above-fun-⊑我们有above-fun v,因此根据归纳假设γ ⊢ M ↓ v可得某个闭包c使得γ' ⊢ M ⇓ c且𝕍 v c。根据sub-𝕍可得𝕍 v' c。
指称充分性的证明
根据主引理我们可直接证明 ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) 蕴含 M 可大步归约为一个 λ-抽象,即 ∅ ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) γ。
↓→⇓ : ∀{M : ∅ ⊢ ★}{N : ∅ , ★ ⊢ ★} → ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) → Σ[ Γ ∈ Context ] Σ[ N′ ∈ (Γ , ★ ⊢ ★) ] Σ[ γ ∈ ClosEnv Γ ] ∅' ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) γ ↓→⇓{M}{N} eq with ↓→𝔼 𝔾-∅ ((proj₂ (eq `∅ (⊥ ↦ ⊥))) (↦-intro ⊥-intro)) ⟨ ⊥ , ⟨ ⊥ , ⊑-refl ⟩ ⟩ ... | ⟨ clos {Γ} M′ γ , ⟨ M⇓c , Vc ⟩ ⟩ with 𝕍→WHNF Vc ... | ƛ_ {N = N′} = ⟨ Γ , ⟨ N′ , ⟨ γ , M⇓c ⟩ ⟩ ⟩
其证明如下:我们推导出 ∅ ⊢ ƛ N ↓ ⊥ ↦ ⊥,然后根据 ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) 得到 ∅ ⊢ M ↓ ⊥ ↦ ⊥。我们应用主引理可得,对于某些 N′ 和 γ 有 ∅ ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) γ。
现在进行充分性的证明。我们应用上面的引理得到 ∅ ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) γ, 之后应用 cbn→reduce 得出结论。
adequacy : ∀{M : ∅ ⊢ ★}{N : ∅ , ★ ⊢ ★} → ℰ M ≃ ℰ (ƛ N) → Σ[ N′ ∈ (∅ , ★ ⊢ ★) ] (M —↠ ƛ N′) adequacy{M}{N} eq with ↓→⇓ eq ... | ⟨ Γ , ⟨ N′ , ⟨ γ , M⇓ ⟩ ⟩ ⟩ = cbn→reduce M⇓
传名调用等价于 β-归约
按照承诺,我们回到「传名调用求值是否等价于 β-归约」的问题上来。 在大步语义一章中,我们建立了向右的方向:若传名调用能够产生结果, 则程序可 β-归约为 λ-抽象(cbn→reduce)。 现在,我们利用关于指称语义的结论来证明「当且仅当」的向左的方向。
reduce→cbn : ∀ {M : ∅ ⊢ ★} {N : ∅ , ★ ⊢ ★} → M —↠ ƛ N → Σ[ Δ ∈ Context ] Σ[ N′ ∈ Δ , ★ ⊢ ★ ] Σ[ δ ∈ ClosEnv Δ ] ∅' ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) δ reduce→cbn M—↠ƛN = ↓→⇓ (soundness M—↠ƛN)
假设 M —↠ ƛ N,根据指称语义的可靠性可得 ℰ M ≃ ℰ (ƛ N)。接着根据 ↓→⇓ 可得对于某个 N′ 和 δ 有 ∅' ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) δ。
将「当且仅当」的两个方向合并在一起, 我们就建立了下述意义上,传名调用求值等价于 β-归约的结论。
cbn↔reduce : ∀ {M : ∅ ⊢ ★} → (Σ[ N ∈ ∅ , ★ ⊢ ★ ] (M —↠ ƛ N)) iff (Σ[ Δ ∈ Context ] Σ[ N′ ∈ Δ , ★ ⊢ ★ ] Σ[ δ ∈ ClosEnv Δ ] ∅' ⊢ M ⇓ clos (ƛ N′) δ) cbn↔reduce {M} = ⟨ (λ x → reduce→cbn (proj₂ x)) , (λ x → cbn→reduce (proj₂ (proj₂ (proj₂ x)))) ⟩
Unicode
本章使用了以下 Unicode:
𝔼 U+1D53C MATHEMATICAL DOUBLE-STRUCK CAPITAL E (\bE)
𝔾 U+1D53E MATHEMATICAL DOUBLE-STRUCK CAPITAL G (\bG)
𝕍 U+1D53E MATHEMATICAL DOUBLE-STRUCK CAPITAL V (\bV)