A machine-checked constructive metatheory of computation tree logic

Abstract

This thesis presents a machine-checked constructive metatheory of computation tree logic (CTL) and its sublogics K and K* based on results from the literature. We consider models, Hilbert systems, and history-based Gentzen systems and show that for every logic and every formula s the following statements are decidable and equivalent: s is true in all models, s is provable in the Hilbert system, and s is provable in the Gentzen system. We base our proofs on pruning systems constructing finite models for satisfiable formulas and abstract refutations for unsatisfiable formulas. The pruning systems are devised such that abstract refutations can be translated to derivations in the Hilbert system and the Gentzen system, thus establishing completeness of both systems with a single model construction. All results of this thesis are formalized and machine-checked with the Coq interactive theorem prover. Given the level of detail involved and the informal presentation in much of the original work, the gap between the original paper proofs and constructive machine-checkable proofs is considerable. The mathematical proofs presented in this thesis provide for elegant formalizations and often differ significantly from the proofs in the literature.

Diese Dissertation beschreibt eine maschinell verifizierte konstruktive Metatheorie von computation tree logic (CTL) und deren Teillogiken K und K*. Wir betrachten Modelle, Hilbert-Kalküle und History-basierte Gentzen-Kalküle und zeigen, für jede betrachtete Logik und jede Formel s, Entscheidbarkeit und Äquivalenz der folgenden Aussagen: s gilt in allen Modellen, s ist im Hilbert-Kalkül ableitbar und s ist im Gentzen-Kalkül ableitbar. Die Beweise bauen auf Pruningsystemen auf, welche für erfüllbare Formeln endliche Modelle und für unerfüllbare Formeln abstrakte Widerlegungen konstruieren. Die Pruningsysteme sind so konstruiert, dass abstrakte Widerlegungen zu Widerlegungen sowohl im Hilbert- als auch im Gentzen-Kalkül übersetzt werden können. Dadurch wird es möglich, die Vollständigkeit beider Systeme mit nur einer Modellkonstruktion zu zeigen. Alle Ergebnisse dieser Dissertation sind formalisiert und maschinell verifiziert mit Hilfe des Beweisassistenten Coq. In Anbetracht der Fülle an Details und der informellen Beweisführung in großen Teilen der Originalliteratur, erfordert dies teilweise tiefgreifende Veränderungen an den Beweisen aus der Literatur. Die Beweise in der vorliegenden Arbeit sind so aufgebaut, dass sie zu eleganten Formalisierungen führen.