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[arxana.git] / org / farm-talk.org
blobd30043b7248f942689e3f5e12191b8ea5ca0cecf
1 #+TITLE:     \large{Modelling the Way Mathematics Is Actually Done}
2 #+AUTHOR:    Joseph Corneli, Ursula Martin, Dave Murray-Rust,\newline Alison Pease, Raymond Puzio, Gabriela Rino Nesin
3 #+EMAIL:     contact@planetmath.org
4 #+DATE:      9 September, 2017
5 #+DESCRIPTION: Organizer for presentation on arxana and math text analysis at Oxford.
6 #+KEYWORDS: arxana, hypertext, inference anchoring
7 #+LANGUAGE: en
8 #+OPTIONS: H:1 num:t toc:nil \n:nil @:t ::t |:t ^:nil -:t f:t *:t <:t
9 #+OPTIONS: TeX:t LaTeX:nil skip:nil d:nil todo:t pri:nil tags:not-in-toc
10 #+INFOJS_OPT: view:nil toc:nil ltoc:t mouse:underline buttons:0 path:http://orgmode.org/org-info.js
11 #+EXPORT_SELECT_TAGS: export
12 #+EXPORT_EXCLUDE_TAGS: noexport
13 #+LATEX_CLASS: beamer
14 #+LATEX_CLASS_OPTIONS: [presentation,serif]
15 #+LATEX_HEADER: \usepackage{beamerhacks}
16 #+LINK_UP:
17 #+LINK_HOME:
18 #+HTML_HEAD: <link rel="stylesheet" type="text/css" href="http://metameso.org/~joe/solarized-css/build/solarized-light.css" />
19 #+STARTUP: showeverything
21 # convert example-graph.png -fuzz 1% -fill 'rgb(255,255,230)' -opaque white fond-graph.png
23 * "From cons cells to triples, from trees to hypergraphs"
25 /cons cell/ =(a . b)=, =car=, =cdr= \SoThat /nema/ =(a c b)=, =src=, =txt=, and =snk=.\newline
26 A repository of nemas is a /plexus/.  =(0 a 0)= is used to represent =a=.
28 /Mom resents the fact that John disapproves of Jane and Jim's
29 marriage./
31 #+ATTR_ORG: :width 400
32 #+ATTR_LATEX: :width 8cm
33     [[file:./fond-mom.png]]
35 \textbf{History}: *Arxana*: "A Scholia-based Document Model for Commons-based Peer Production", 2005;  various backends since then. *Inference Anchoring Theory + Content*, 2016-2017
37 * The problem:
38  - Whereas formal mathematical theories are well studied, computers cannot yet adequately represent and reason about mathematical dialogues and other informal texts.
39 - Machine learning is likely to be useful for building mathematical AI.
40 - But for that we need representations of mathematics in which meaningful patterns can be found.
41 * Background
42 \textbf{Formal register}:
43 \begin{eqnarray*}
44 && \hspace{-1cm}\text{\emph{``Every integer equals the sum of four squares.''}}\\
45 &\equiv& (\forall n \in \mathbb{N}) (\exists m_1,m_2,m_3,m_4 \in \mathbb{N}) \, n = \sum_{i=1}^{4} m_i^2
46 \end{eqnarray*}
47 - Nothing essential is lost in translating between the verbal and symbolic statements ("no reference is made ... to meaning").
48 - /Trees/ provide the look and feel of the formal register.
50 \textbf{Expository register}:
51 \begin{quote}
52 "Next, we will prove the four-square theorem using an algebraic identity similar to the one we just used to prove the two squares theorem."
53 \end{quote}
54 * Framing the Current Effort
56 The blocks world, board games, and story comprehension require increasingly sophisticated patterns of \emph{inference}, \emph{thinking}, and \emph{reasoning}.
58 \medskip
60 \begingroup\scriptsize
61 \begin{myenv}[1\textwidth]{3em}
62 \begin{tabular}{llll}
63 \emph{Level} & \textbf{Blocks World} & \textbf{Board Games} & \textbf{Story Comprehension}\\
64 \hline
65 elements & blocks on a table & game pieces on board & episodes from everyday life\\
66 inference & follow instructions & rules \& strategy & analogy\\
67 thinking & consistency & prediction of winning & costs and benefits\\
68 reasoning & (trivial) & multiple strategies & ethical dilemmas\\
69 \end{tabular}
70 \end{myenv}
71 \endgroup
73 \hspace{2.78in} \textcolor{brightpink}{$\uparrow$}
75 Understood as a computational challenge, mainstream mathematics lies
76 somewhere in between board games and story comprehension.
78 * Survey of Related Work
80 \textbf{Annotative programming}: \emph{Flare}, \emph{ZigZag}, \emph{AtomSpace}
82 \bigskip
84 \textbf{Models of Mathematical Reasoning}:
86 # http://www.fileformat.info/info/unicode/font/dejavu_sans_oblique/blockview.htm?block=emoticons
87 1. Inference Anchoring Theory + Content \deja{☺}
88 1. Conceptual Dependence \deja{☺}
89 1. Structured Proofs \deja{😐}
90 1. Lakatos Games \deja{😼}
92 * Inference Anchoring Theory + Content
94 This is what we use to model *what* people say when they talk about
95 mathematics.
97 \vspace{-.5cm}
99 #+ATTR_ORG: :width 400
100 #+ATTR_LATEX: :width 11cm
101     [[file:./fond-analogies.png]]
103 * Inference Anchoring Theory + Content (ctd.)
105 \textbf{Performatives}
107 \begingroup\scriptsize
108 \begin{tabular}{p{.3\columnwidth}@{\hspace{-.25ex}}p{.7\columnwidth}}
109 \texttt{Assert} (\emph{s} [, \emph{a} ]) & Assert belief that statement \emph{s} is true, optionally because of \emph{a}.\\
110 \texttt{Agree} (\emph{s} [, \emph{a} ]) & Agree with a previous statement \emph{s}, optionally because of \emph{a}.\\
111 \texttt{Challenge} (\emph{s} [, \emph{a} ]) & Assert belief that statement \emph{s} is false, optionally because of \emph{a}.\\
112 \texttt{Retract} (\emph{s} [, \emph{a} ]) & Retract a previous statement \emph{s}, optionally because of \emph{a}.\\
113 \texttt{Define} (\emph{o}, \emph{p}) & Define object \emph{o} via property \emph{p}.\\
114 \texttt{Suggest} (\emph{s}) & Suggest a strategy \emph{s}.\\
115 \texttt{Judge} (\emph{s}) & Apply a heuristic value judgement \emph{s} to some statement.\\
116 \texttt{Query} (\emph{s}) & Ask for the truth value of statement \emph{s}.\\
117 \texttt{QueryE} (\{$p_i$($X$)\} . \emph{i}) & Ask for the class of objects \emph{X} for which all of the properties $p_i$ hold.
118 \end{tabular}
119 \endgroup
121 * Inference Anchoring Theory + Content (ctd.)
123 \textbf{Inferential Structure}
125 \begingroup\scriptsize
126 \begin{tabular}{p{.3\columnwidth}@{\hspace{-.25ex}}p{.7\columnwidth}}
127 % Gabi's notes used ``stronger'' but ``implies'' is more intuitive
128 \texttt{implies} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{s} implies statement \emph{t}.\\
129 \texttt{not} (\emph{s}) & Negation of \emph{s}.\\
130 \texttt{conjunction} (\emph{s}, \emph{t}, \ldots) & Conjunction of statements \emph{s}, \emph{t}, \ldots \\
131 \texttt{has\_property} (\emph{o}, \emph{p}) & Object \emph{o} has property \emph{p}.\\
132 \texttt{instance\_of} (\emph{o}, \emph{m}) & Object \emph{o} is an instance of the broader class \emph{m}.\\
133 \texttt{indep\_of} (\emph{o}, \emph{d}) & Object \emph{o} does not depend on the choice of object \emph{d}.\\
134 \texttt{case\_split} (\emph{s}, \{$s_i$\} . \emph{i}) & Statement \emph{s} is equivalent to the conjunction of the $s_i$'s.\\
135 \texttt{wlog} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{t} is equivalent to statement \emph{s} but easier to prove.\\
136 \end{tabular}
137 \endgroup
139 \textbf{Reasoning tactics}
141 \begingroup\scriptsize
142 \begin{tabular}{p{.3\columnwidth}@{\hspace{-.25ex}}p{.7\columnwidth}}
143 \texttt{goal} (\emph{s}) & Used with \texttt{Suggest} to guide other agents to work on \emph{s}.\\
144 \texttt{strategy} (\emph{m}, \emph{s}) & Method \emph{m} may be used to prove \emph{s}.\\
145 \texttt{auxiliary} (\emph{s}, \emph{a}) & Statement \emph{s} requires an auxiliary lemma \emph{a}.\\
146 \texttt{analogy} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{s} and statement \emph{t} should be seen as analogous in some way.\\
147 \texttt{implements} (\emph{s}, \emph{m}) & Statement \emph{s} implements the method \emph{m} from a previousl suggested strategy.\\
148 \texttt{generalises} (\emph{m}, \emph{n}) & Method \emph{m} generalises method \emph{n}.  \\
149 \end{tabular}
150 \endgroup
152 * Inference Anchoring Theory + Content (ctd.)
154 \textbf{Heuristics and Value Judgements}
156 \begingroup\scriptsize
157 \begin{tabular}{p{.3\columnwidth}@{\hspace{-.25ex}}p{.7\columnwidth}}
158 \texttt{easy} (\emph{s} [, \emph{t}]) & Statement \emph{s} is easy to prove; opt., easier than statement \emph{t}.\\
159 \texttt{plausible} (\emph{s}) & Statement \emph{s} is plausible.\\
160 \texttt{beautiful} (\emph{s}) & Statement \emph{s} is beautiful (or mathematically elegant).\\
161 \texttt{useful} (\emph{s}) & Statement \emph{s} can be used in an eventual proof.\\
162 \texttt{heuristic} (\emph{x}) & Statement \emph{x} describes an heuristic (with less rigour than a strategy).\\
163 \end{tabular}
164 \endgroup
166 \textbf{Content-Focused Structural Relations}
168 \begingroup\scriptsize
169 \begin{tabular}{p{.3\columnwidth}@{\hspace{-.25ex}}p{.7\columnwidth}}
170 \texttt{used\_in} (\emph{o}, \emph{s}) & Object \emph{o} is used in statement \emph{s}.\\
171 \texttt{sub\_prop} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{s} contains proposition \emph{t}.\\
172 \texttt{reform} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{s} can be reformed into statement \emph{t}.\\
173 \texttt{extensional\_set} (\emph{p}) & The set of objects with property \emph{p}.\\
174 \texttt{instantiates} (\emph{s}, \emph{t}) & Statement \emph{s} schematically instantiates statement \emph{t}. \\
175 \texttt{expands} (\emph{x}, \emph{y}) & Expression \emph{x} expands to expression \emph{y}.\\
176 \texttt{sums} (\emph{x}, \emph{y}) & Expression \emph{x} sums to expression \emph{y}. \\
177 \texttt{cont\_summand} (\emph{x}, \emph{y}) & Expression \emph{x} contains \emph{y} as a summand. \\
178 \end{tabular}
179 \endgroup
181 * Conceptual Dependence
183 CD was used by Schank, Lytinen, and others to represent knowledge
184 about actions, and to \emph{reason about stories}.
186 #+ATTR_ORG: :width 400
187 #+ATTR_LATEX: :width 11cm
188     [[file:./fond-cd-example.png]]
190 Something like CD should be capable of reasoning about *why* people
191 say what they do when they talk about mathematics.
193 * Structured Proofs
195 This is a semi-formal style of writing down proofs that is not
196 all that well suited to describing \emph{informal} reasoning.
198 \vspace{-.5cm}
200 #+ATTR_ORG: :width 400
201 #+ATTR_LATEX: :width 11cm
202     [[file:./fond-structured.png]]
206 * Lakatos Games
208 This is a \emph{formalised} description of informal reasoning, with a
209 constrained structure.  It's plausible, but not sufficient.
211 #+ATTR_ORG: :width 400
212 #+ATTR_LATEX: :width 8cm
213     [[file:./fond-lg.png]]
215 * The Search for the `Quantum of Progress'
217 Ganesalingam and Gowers's ROBOTONE:
219 \begin{quote}
220 can ... be regarded as repeatedly applying a single tactic, which is itself constructed by
221 taking a list of subsidiary tactics and applying the first
222 that can be applied.\footnote{M. Ganesalingam and W. T. Gowers. A Fully Automatic Theorem Prover with
223 Human-Style Output. \emph{Journal of Automated Reasoning}, pages 1–39, 2016.}
224 \end{quote}
226 *Its answers to the `why question' would not be very interesting.*
228 Cf. Sussman's HACKER,[fn:: Gerald J. Sussman, A Computational
229 Model of Skill Acquisition, PhD thesis, MIT, 1973.] which solved
230 problems in the block world: not in the most efficient way, but in an
231 interesting way.
233 * Example: A Diagrammatic Model of Mathematical Reasoning via IATC
234 * Towards Functional Models of Mathematical Reasoning
235 * Kinematics (IATC+CD)
236 * Dynamics
237 * Our Prototype, \emph{Arxana}
238 * System Overview
239 * Application to Mathematical Reasoning
240 * Future directions for development
241 * Conclusions and Future Work
242 * Partial Specification of IATC
244 * World's first combination of IATC and CD
245 - what we have now in Listing 2 will probably need to be considerably
246   rethought
247 - Describe what we're trying to do, if you change one subgraph on one
248   you get to the other
249 * Summary
250 *** \phantom{y}                                               :B_block:BMCOL:
251     :PROPERTIES:
252     :BEAMER_COL: 0.5
253     :BEAMER_ENV: block
254     :END:
255 Column 1
256 *** \phantom{x}                                               :B_block:BMCOL:
257     :PROPERTIES:
258     :BEAMER_COL: 0.5
259     :BEAMER_ENV: block
260     :END:
261 Column 2
262 * Future work
263 * The end
264 * outtakes                                                         :noexport:
265 ** Other things we've worked on
267 #+C Local Variables:
268 #+C org-tree-slide-skip-outline-level: 3
269 #+C mode-line-format: nil
270 #+C org-latex-compiler: "xelatex"
271 #+C eval: (org-display-inline-images t t)
272 #+C eval: (setq org-tree-slide-header nil)
273 #+C End:
275 * Frame with references                                            :noexport:
276   :PROPERTIES:
277   :BEAMER_OPT: fragile,allowframebreaks,label=
278   :END:
279   \printbibliography