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Miyamoto, Kenji (2013): Program extraction from coinductive proofs and its application to exact real arithmetic. Dissertation, LMU München: Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik
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Abstract

Program extraction has been initiated in the field of constructive mathematics, and it attracts interest not only from mathematicians but also from computer scientists nowadays. From a mathematical viewpoint its aim is to figure out computational meaning of proofs, while from a computer-scientific viewpoint its aim is the study of a method to obtain correct programs. Therefore, it is natural to have both theoretical results and a practical computer system to develop executable programs via program extraction. In this Thesis we study the computational interpretation of constructive proofs involving inductive and coinductive reasoning. We interpret proofs by translating the computational content of proofs into executable program code. This translation is the procedure we call program extraction and it is given through Kreisel's modified realizability. Here we study a proof-theoretic foundation for program extraction, enriching the proof assistant system Minlog based on this theoretical improvement. Once a proof of a formula is written in Minlog, a program can be extracted from the proof by the system itself, and the extracted program can be executed in Minlog. Moreover, extracted programs are provably correct with respect to the proven formula due to a soundness theorem which we prove. We practice program extraction by elaborating some case studies from exact real arithmetic within our formal theory. Although these case studies have been studied elsewhere, here we offer a formalization of them in Minlog, and also machine-extraction of the corresponding programs.

Abstract

Die Methode der Programmextraktion hat ihren Ursprung im Bereich der konstruktiven Mathematik, und stößt in letzter Zeit auf viel Interesse nicht nur bei Mathematikern sondern auch bei Informatikern. Vom Standpunkt der Mathematik ist ihr Ziel, aus Beweisen ihre rechnerische Bedeutung abzulesen, während vom Standpunkt der Informatik ihr Ziel die Untersuchung einer Methode ist, beweisbar korrekte Programme zu erhalten. Es ist deshalb naheliegend, neben theoretischen Ergebnissen auch ein praktisches Computersystem zur Verfügung zu haben, mit dessen Hilfe durch Programmextraktion lauffähige Programme entwickelt werden können. In dieser Doktorarbeit wird eine rechnerische Interpretation konstruktiver Beweise mit induktiven und koinduktiven Definitionen angegeben und untersucht. Die Interpretation geschieht dadurch, daß der rechnerische Gehalt von Beweisen in eine Programmiersprache übersetzt wird. Diese übersetzung wird Programmextraktion genannt; sie basiert auf Kreisels modifizierter Realisierbarkeit. Wir untersuchen die beweistheoretischen Grundlagen der Programmextraktion und erweitern den Beweisassistenten Minlog auf der Basis der erhaltenen theoretischen Resultate. Wenn eine Formel in Minlog formal bewiesen ist, läßt sich ein Programm aus dem Beweis extrahieren, und dieses extrahierte Programm kann in Minlog ausgeführt werden. Ferner sind extrahierte Programme beweisbar korrekt bezüglich der entsprechenden Formel aufgrund eines Korrektheitsatzes, den wir beweisen werden. Innerhalb unserer formalen Theorie bearbeiten wir einige aus der Literatur bekannte Fallstudien im Bereich der exakten reellen Arithmetik. Wir entwickeln eine vollständige Formalisierung der entsprechenden Beweise und diskutieren die in Minlog automatisch extrahierten Programme.