rename General/Preamble to avoid conflict with ghc-hetmet
[coq-categories.git] / src / General.v-
diff --git a/src/General.v- b/src/General.v-
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ec5a797
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,602 @@
+(******************************************************************************)
+(* General Data Structures                                                    *)
+(******************************************************************************)
+
+Require Import Coq.Unicode.Utf8.
+Require Import Coq.Classes.RelationClasses.
+Require Import Coq.Classes.Morphisms.
+Require Import Coq.Setoids.Setoid.
+Require Import Coq.Strings.String.
+Require Setoid.
+Require Import Coq.Lists.List.
+Require Import Preamble.
+Generalizable All Variables.
+Require Import Omega.
+
+
+Class EqDecidable (T:Type) :=
+{ eqd_type           := T
+; eqd_dec            :  forall v1 v2:T, sumbool (v1=v2) (not (v1=v2))
+; eqd_dec_reflexive  :  forall v, (eqd_dec v v) = (left _ (refl_equal _))
+}.
+Coercion eqd_type : EqDecidable >-> Sortclass.
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Trees                                                                       *)
+
+Inductive Tree (a:Type) : Type :=
+  | T_Leaf   : a -> Tree a
+  | T_Branch : Tree a -> Tree a -> Tree a.
+Implicit Arguments T_Leaf   [ a ].
+Implicit Arguments T_Branch [ a ].
+
+Notation "a ,, b"   := (@T_Branch _ a b)                        : tree_scope.
+
+(* tree-of-option-of-X comes up a lot, so we give it special notations *)
+Notation "[ q ]"    := (@T_Leaf (option _) (Some q))            : tree_scope.
+Notation "[ ]"      := (@T_Leaf (option _) None)                : tree_scope.
+Notation "[]"       := (@T_Leaf (option _) None)                : tree_scope.
+
+Open Scope tree_scope.
+
+Fixpoint mapTree {a b:Type}(f:a->b)(t:@Tree a) : @Tree b :=
+  match t with 
+    | T_Leaf x     => T_Leaf (f x)
+    | T_Branch l r => T_Branch (mapTree f l) (mapTree f r)
+  end.
+Fixpoint mapOptionTree {a b:Type}(f:a->b)(t:@Tree ??a) : @Tree ??b :=
+  match t with 
+    | T_Leaf None     => T_Leaf None
+    | T_Leaf (Some x) => T_Leaf (Some (f x))
+    | T_Branch l r => T_Branch (mapOptionTree f l) (mapOptionTree f r)
+  end.
+Fixpoint mapTreeAndFlatten {a b:Type}(f:a->@Tree b)(t:@Tree a) : @Tree b :=
+  match t with 
+    | T_Leaf x        => f x
+    | T_Branch l r    => T_Branch (mapTreeAndFlatten f l) (mapTreeAndFlatten f r)
+  end.
+Fixpoint mapOptionTreeAndFlatten {a b:Type}(f:a->@Tree ??b)(t:@Tree ??a) : @Tree ??b :=
+  match t with 
+    | T_Leaf None     => []
+    | T_Leaf (Some x) => f x
+    | T_Branch l r    => T_Branch (mapOptionTreeAndFlatten f l) (mapOptionTreeAndFlatten f r)
+  end.
+Fixpoint treeReduce {T:Type}{R:Type}(mapLeaf:T->R)(mergeBranches:R->R->R) (t:Tree T) :=
+  match t with
+  | T_Leaf x => mapLeaf x
+  | T_Branch y z => mergeBranches (treeReduce mapLeaf mergeBranches y) (treeReduce mapLeaf mergeBranches z)
+  end.
+Definition treeDecomposition {D T:Type} (mapLeaf:T->D) (mergeBranches:D->D->D) :=
+  forall d:D, { tt:Tree T & d = treeReduce mapLeaf mergeBranches tt }.
+
+Lemma tree_dec_eq :
+   forall {Q}(t1 t2:Tree ??Q),
+     (forall q1 q2:Q, sumbool (q1=q2) (not (q1=q2))) ->
+     sumbool (t1=t2) (not (t1=t2)).
+  intro Q.
+  intro t1.
+  induction t1; intros.
+
+  destruct a; destruct t2.
+  destruct o.
+  set (X q q0) as X'.
+  inversion X'; subst.
+  left; auto.
+  right; unfold not; intro; apply H. inversion H0; subst. auto.
+  right. unfold not; intro; inversion H.
+  right. unfold not; intro; inversion H.
+  destruct o.
+  right. unfold not; intro; inversion H.
+  left; auto.
+  right. unfold not; intro; inversion H.
+  
+  destruct t2.
+  right. unfold not; intro; inversion H.
+  set (IHt1_1 t2_1 X) as X1.
+  set (IHt1_2 t2_2 X) as X2.
+  destruct X1; destruct X2; subst.
+  left; auto.
+  
+  right.
+  unfold not; intro H.
+  apply n.
+  inversion H; auto.
+  
+  right.
+  unfold not; intro H.
+  apply n.
+  inversion H; auto.
+  
+  right.
+  unfold not; intro H.
+  apply n.
+  inversion H; auto.
+  Defined.
+
+
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Lists                                                                       *)
+
+Notation "a :: b"         := (cons a b)                               : list_scope.
+Open Scope list_scope.
+Fixpoint leaves {a:Type}(t:Tree (option a)) : list a :=
+  match t with
+    | (T_Leaf l)     => match l with
+                          | None   => nil
+                          | Some x => x::nil
+                        end
+    | (T_Branch l r) => app (leaves l) (leaves r)
+  end.
+(* weak inverse of "leaves" *)
+Fixpoint unleaves {A:Type}(l:list A) : Tree (option A) :=
+  match l with
+    | nil    => []
+    | (a::b) => [a],,(unleaves b)
+  end.
+
+(* a map over a list and the conjunction of the results *)
+Fixpoint mapProp {A:Type} (f:A->Prop) (l:list A) : Prop :=
+  match l with
+    | nil => True
+    | (a::al) => f a /\ mapProp f al
+  end.
+
+Lemma map_id : forall A (l:list A), (map (fun x:A => x) l) = l.
+  induction l.
+  auto.
+  simpl.
+  rewrite IHl.
+  auto.
+  Defined.
+Lemma map_app : forall `(f:A->B) l l', map f (app l l') = app (map f l) (map f l').
+  intros.
+  induction l; auto.
+  simpl.
+  rewrite IHl.
+  auto.
+  Defined.
+Lemma map_compose : forall A B C (f:A->B)(g:B->C)(l:list A),
+  (map (g ○ f) l) = (map g (map f l)).
+  intros.
+  induction l.
+  simpl; auto.
+  simpl.
+  rewrite IHl.
+  auto.
+  Defined.
+Lemma list_cannot_be_longer_than_itself : forall `(a:A)(b:list A), b = (a::b) -> False.
+  intros.
+  induction b.
+  inversion H.
+  inversion H. apply IHb in H2.
+  auto.
+  Defined.
+Lemma list_cannot_be_longer_than_itself' : forall A (b:list A) (a c:A), b = (a::c::b) -> False.
+  induction b.
+  intros; inversion H.
+  intros.
+  inversion H.
+  apply IHb in H2.
+  auto.
+  Defined.
+
+Lemma mapOptionTree_on_nil : forall `(f:A->B) h, [] = mapOptionTree f h -> h=[].
+  intros.
+  destruct h.
+  destruct o. inversion H.
+  auto.
+  inversion H.
+  Defined.
+
+Lemma mapOptionTree_comp a b c (f:a->b) (g:b->c) q : (mapOptionTree g (mapOptionTree f q)) = mapOptionTree (g ○ f) q.
+  induction q.
+    destruct a0; simpl.
+    reflexivity.
+    reflexivity.
+    simpl.
+    rewrite IHq1.
+    rewrite IHq2.
+    reflexivity.
+  Qed.
+
+(* handy facts: map preserves the length of a list *)
+Lemma map_on_nil : forall A B (s1:list A) (f:A->B), nil = map f s1 -> s1=nil.
+  intros.
+  induction s1.
+  auto.
+  assert False.
+  simpl in H.
+  inversion H.
+  inversion H0.
+  Defined.
+Lemma map_on_singleton : forall A B (f:A->B) x (s1:list A), (cons x nil) = map f s1 -> { y : A & s1=(cons y nil) & (f y)=x }.
+  induction s1.
+  intros.
+  simpl in H; assert False. inversion H. inversion H0.
+  clear IHs1.
+  intros.
+  exists a.
+  simpl in H.
+  assert (s1=nil).
+    inversion H. apply map_on_nil in H2. auto.
+  subst.
+  auto.
+  assert (s1=nil).
+    inversion H. apply map_on_nil in H2. auto.
+  subst.
+  simpl in H.
+  inversion H. auto.
+  Defined.
+
+Lemma map_on_doubleton : forall A B (f:A->B) x y (s1:list A), ((x::y::nil) = map f s1) ->
+  { z : A*A & s1=((fst z)::(snd z)::nil) & (f (fst z))=x /\ (f (snd z))=y }.
+  intros.
+  destruct s1.
+  inversion H.
+  destruct s1.
+  inversion H.
+  destruct s1.
+  inversion H.
+  exists (a,a0); auto.
+  simpl in H.
+  inversion H.
+  Defined.
+
+
+Lemma mapTree_compose : forall A B C (f:A->B)(g:B->C)(l:Tree A),
+  (mapTree (g ○ f) l) = (mapTree g (mapTree f l)).
+  induction l.
+    reflexivity.
+    simpl.
+    rewrite IHl1.
+    rewrite IHl2.
+    reflexivity.
+    Defined.
+
+Lemma lmap_compose : forall A B C (f:A->B)(g:B->C)(l:list A),
+  (map (g ○ f) l) = (map g (map f l)).
+  intros.
+  induction l.
+  simpl; auto.
+  simpl.
+  rewrite IHl.
+  auto.
+  Defined.
+
+(* sends a::b::c::nil to [[[[],,c],,b],,a] *)
+Fixpoint unleaves' {A:Type}(l:list A) : Tree (option A) :=
+  match l with
+    | nil    => []
+    | (a::b) => (unleaves' b),,[a]
+  end.
+
+(* sends a::b::c::nil to [[[[],,c],,b],,a] *)
+Fixpoint unleaves'' {A:Type}(l:list ??A) : Tree ??A :=
+  match l with
+    | nil    => []
+    | (a::b) => (unleaves'' b),,(T_Leaf a)
+  end.
+
+Fixpoint filter {T:Type}(l:list ??T) : list T :=
+  match l with
+    | nil => nil
+    | (None::b) => filter b
+    | ((Some x)::b) => x::(filter b)
+  end.
+
+Inductive distinct {T:Type} : list T -> Prop :=
+| distinct_nil  : distinct nil
+| distinct_cons : forall a ax, (@In _ a ax -> False) -> distinct ax -> distinct (a::ax).
+
+Lemma map_preserves_length {A}{B}(f:A->B)(l:list A) : (length l) = (length (map f l)).
+  induction l; auto.
+  simpl.
+  omega.
+  Qed.
+
+(* decidable quality on a list of elements which have decidable equality *)
+Definition list_eq_dec : forall {T:Type}(l1 l2:list T)(dec:forall t1 t2:T, sumbool (eq t1 t2) (not (eq t1 t2))),
+  sumbool (eq l1 l2) (not (eq l1 l2)).
+  intro T.
+  intro l1.
+  induction l1; intros.
+    destruct l2.
+    left; reflexivity.
+    right; intro H; inversion H.
+  destruct l2 as [| b l2].
+    right; intro H; inversion H.
+  set (IHl1 l2 dec) as eqx.
+    destruct eqx.
+    subst.
+    set (dec a b) as eqy.
+    destruct eqy.
+      subst.
+      left; reflexivity.
+      right. intro. inversion H. subst. apply n. auto.
+    right.
+      intro.
+      inversion H.
+      apply n.
+      auto.
+      Defined.
+
+
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Length-Indexed Lists                                                        *)
+
+Inductive vec (A:Type) : nat -> Type :=
+| vec_nil  : vec A 0
+| vec_cons : forall n, A -> vec A n -> vec A (S n).
+
+Fixpoint vec2list {n:nat}{t:Type}(v:vec t n) : list t :=
+  match v with
+    | vec_nil => nil
+    | vec_cons n a va => a::(vec2list va)
+  end.
+
+Require Import Omega.
+Definition vec_get : forall {T:Type}{l:nat}(v:vec T l)(n:nat)(pf:lt n l), T.
+  intro T.
+  intro len.
+  intro v.
+  induction v; intros.
+    assert False.
+    inversion pf.
+    inversion H.
+  rename n into len.
+    destruct n0 as [|n].
+    exact a.
+    apply (IHv n).
+    omega.
+    Defined.
+
+Definition vec_zip {n:nat}{A B:Type}(va:vec A n)(vb:vec B n) : vec (A*B) n.
+  induction n.
+  apply vec_nil.
+  inversion va; subst.
+  inversion vb; subst.
+  apply vec_cons; auto.
+  Defined.  
+
+Definition vec_map {n:nat}{A B:Type}(f:A->B)(v:vec A n) : vec B n.
+  induction n.
+  apply vec_nil.
+  inversion v; subst.
+  apply vec_cons; auto.
+  Defined.
+
+Fixpoint vec_In {A:Type} {n:nat} (a:A) (l:vec A n) : Prop :=
+  match l with
+    | vec_nil         => False
+    | vec_cons _ n m  => (n = a) \/ vec_In a m
+  end.
+Implicit Arguments vec_nil  [ A   ].
+Implicit Arguments vec_cons [ A n ].
+
+Definition append_vec {n:nat}{T:Type}(v:vec T n)(t:T) : vec T (S n).
+  induction n.
+  apply (vec_cons t vec_nil).
+  apply vec_cons; auto.
+  Defined.
+
+Definition list2vec {T:Type}(l:list T) : vec T (length l).
+  induction l.
+  apply vec_nil.
+  apply vec_cons; auto.
+  Defined.
+
+Definition vec_head {n:nat}{T}(v:vec T (S n)) : T.
+  inversion v;  auto.
+  Defined.
+Definition vec_tail {n:nat}{T}(v:vec T (S n)) : vec T n.
+  inversion v;  auto.
+  Defined.
+
+Lemma vec_chop {T}{l1 l2:list T}{Q}(v:vec Q (length (app l1 l2))) : vec Q (length l1).
+  induction l1.
+  apply vec_nil.
+  apply vec_cons.
+  simpl in *.
+  inversion v; subst; auto.
+  apply IHl1.
+  inversion v; subst; auto.
+  Defined.
+
+Lemma vec_chop' {T}{l1 l2:list T}{Q}(v:vec Q (length (app l1 l2))) : vec Q (length l2).
+  induction l1.
+  apply v.
+  simpl in *.
+  apply IHl1; clear IHl1.
+  inversion v; subst; auto.
+  Defined.
+
+Notation "a ::: b" := (@vec_cons _ _ a b) (at level 20).
+
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Shaped Trees                                                                *)
+
+(* a ShapedTree is a tree indexed by the shape (but not the leaf values) of another tree; isomorphic to (ITree (fun _ => Q)) *)
+Inductive ShapedTree {T:Type}(Q:Type) : Tree ??T -> Type :=
+| st_nil    : @ShapedTree T Q []
+| st_leaf   : forall {t}, Q -> @ShapedTree T Q [t]
+| st_branch : forall {t1}{t2}, @ShapedTree T Q t1 -> @ShapedTree T Q t2 -> @ShapedTree T Q (t1,,t2).
+
+Fixpoint unshape {T:Type}{Q:Type}{idx:Tree ??T}(st:@ShapedTree T Q idx) : Tree ??Q :=
+match st with
+| st_nil => []
+| st_leaf _ q => [q]
+| st_branch _ _ b1 b2 => (unshape b1),,(unshape b2)
+end.
+
+Definition mapShapedTree {T}{idx:Tree ??T}{V}{Q}(f:V->Q)(st:ShapedTree V idx) : ShapedTree Q idx.
+  induction st.
+  apply st_nil.
+  apply st_leaf. apply f. apply q.
+  apply st_branch; auto.
+  Defined.
+
+Definition zip_shapedTrees {T:Type}{Q1 Q2:Type}{idx:Tree ??T} 
+   (st1:ShapedTree Q1 idx)(st2:ShapedTree Q2 idx) : ShapedTree (Q1*Q2) idx.
+  induction idx.
+    destruct a.
+    apply st_leaf; auto.
+    inversion st1.
+    inversion st2.
+    auto.
+    apply st_nil.
+    apply st_branch; auto.
+    inversion st1; subst; apply IHidx1; auto.
+    inversion st2; subst; auto.
+    inversion st2; subst; apply IHidx2; auto.
+    inversion st1; subst; auto.
+  Defined.
+
+Definition build_shapedTree {T:Type}(idx:Tree ??T){Q:Type}(f:T->Q) : ShapedTree Q idx.
+  induction idx.
+  destruct a.
+  apply st_leaf; auto.
+  apply st_nil.
+  apply st_branch; auto.
+  Defined.
+
+Lemma unshape_map : forall {Q}{b}(f:Q->b){T}{idx:Tree ??T}(t:ShapedTree Q idx),
+   mapOptionTree f (unshape t) = unshape (mapShapedTree f t).
+  intros.
+  induction t; auto.
+  simpl.
+  rewrite IHt1.
+  rewrite IHt2.
+  reflexivity.
+  Qed.
+
+
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Type-Indexed Lists                                                          *)
+
+(* an indexed list *)
+Inductive IList (I:Type)(F:I->Type) : list I -> Type :=
+| INil      :                                       IList I F nil
+| ICons     :   forall i is, F i -> IList I F is -> IList I F (i::is).
+Implicit Arguments INil [ I F ].
+Implicit Arguments ICons [ I F ].
+
+(* a tree indexed by a (Tree (option X)) *)
+Inductive ITree (I:Type)(F:I->Type) : Tree ??I -> Type :=
+| INone      :                                ITree I F []
+| ILeaf      :  forall       i:     I, F i -> ITree I F [i]
+| IBranch    :  forall it1 it2:Tree ??I, ITree I F it1 -> ITree I F it2 -> ITree I F (it1,,it2).
+Implicit Arguments INil    [ I F ].
+Implicit Arguments ILeaf   [ I F ].
+Implicit Arguments IBranch [ I F ].
+
+
+
+
+(*******************************************************************************)
+(* Extensional equality on functions                                           *)
+
+Definition extensionality := fun (t1 t2:Type) => (fun (f:t1->t2) g => forall x:t1, (f x)=(g x)).
+Hint Transparent extensionality.
+Instance extensionality_Equivalence : forall t1 t2, Equivalence (extensionality t1 t2).
+  intros; apply Build_Equivalence;
+    intros; compute; intros; auto.
+    rewrite H; rewrite H0; auto.
+  Defined.
+  Add Parametric Morphism (A B C:Type) : (fun f g => g ○ f)
+  with signature (extensionality A B ==> extensionality B C ==> extensionality A C) as parametric_morphism_extensionality.
+  unfold extensionality; intros; rewrite (H x1); rewrite (H0 (y x1)); auto.
+  Defined.
+Lemma extensionality_composes : forall t1 t2 t3 (f f':t1->t2) (g g':t2->t3),
+  (extensionality _ _ f f') ->
+  (extensionality _ _ g g') ->
+  (extensionality _ _ (g ○ f) (g' ○ f')).
+  intros.
+  unfold extensionality.
+  unfold extensionality in H.
+  unfold extensionality in H0.
+  intros.
+  rewrite H.
+  rewrite H0.
+  auto.
+  Qed.
+
+
+
+
+
+
+(* the Error monad *)
+Inductive OrError (T:Type) :=
+| Error : forall error_message:string, OrError T
+| OK    : T      -> OrError T.
+Notation "??? T" := (OrError T) (at level 10).
+Implicit Arguments Error [T].
+Implicit Arguments OK [T].
+
+Definition orErrorBind {T:Type} (oe:OrError T) {Q:Type} (f:T -> OrError Q) :=
+  match oe with
+    | Error s => Error s
+    | OK    t => f t
+  end.
+Notation "a >>= b" := (@orErrorBind _ a _ b) (at level 20).
+
+Fixpoint list2vecOrError {T}(l:list T)(n:nat) : ???(vec T n) :=
+  match n as N return ???(vec _ N) with
+    | O => match l with
+             | nil => OK vec_nil
+             | _   => Error "list2vecOrError: list was too long"
+           end
+    | S n' => match l with
+                | nil   => Error "list2vecOrError: list was too short"
+                | t::l' => list2vecOrError l' n' >>= fun l'' => OK (vec_cons t l'')
+              end
+  end.
+
+Inductive Indexed {T:Type}(f:T -> Type) : ???T -> Type :=
+| Indexed_Error : forall error_message:string, Indexed f (Error error_message)
+| Indexed_OK    : forall t, f t -> Indexed f (OK t)
+.
+Ltac xauto := try apply Indexed_Error; try apply Indexed_OK.
+
+
+
+
+
+
+(* for a type with decidable equality, we can maintain lists of distinct elements *)
+Section DistinctList.
+  Context `{V:EqDecidable}.
+
+  Fixpoint addToDistinctList (cv:V)(cvl:list V) :=
+  match cvl with
+  | nil       => cv::nil
+  | cv'::cvl' => if eqd_dec cv cv' then cvl' else cv'::(addToDistinctList cv cvl')
+  end.
+  
+  Fixpoint removeFromDistinctList (cv:V)(cvl:list V) :=
+  match cvl with
+  | nil => nil
+  | cv'::cvl' => if eqd_dec cv cv' then removeFromDistinctList cv cvl' else cv'::(removeFromDistinctList cv cvl')
+  end.
+  
+  Fixpoint removeFromDistinctList' (cvrem:list V)(cvl:list V) :=
+  match cvrem with
+  | nil         => cvl
+  | rem::cvrem' => removeFromDistinctList rem (removeFromDistinctList' cvrem' cvl)
+  end.
+  
+  Fixpoint mergeDistinctLists (cvl1:list V)(cvl2:list V) :=
+  match cvl1 with
+  | nil       => cvl2
+  | cv'::cvl' => mergeDistinctLists cvl' (addToDistinctList cv' cvl2)
+  end.
+End DistinctList.