major revision: MonoidalCat is now a subclass of PreMonoidalCat
[coq-categories.git] / src / MonoidalCategories_ch7_8.v
index d30346e..e9d3799 100644 (file)
@@ -3,9 +3,9 @@ Require Import Preamble.
 Require Import Categories_ch1_3.
 Require Import Functors_ch1_4.
 Require Import Isomorphisms_ch1_5.
-Require Import ProductCategories_ch1_6_1.
 Require Import InitialTerminal_ch2_2.
 Require Import Subcategories_ch7_1.
+Require Import ProductCategories_ch1_6_1.
 Require Import NaturalTransformations_ch7_4.
 Require Import NaturalIsomorphisms_ch7_5.
 Require Import Coherence_ch7_8.
@@ -16,266 +16,143 @@ Require Import PreMonoidalCategories.
 (* Chapter 7.8: Monoidal Categories                                           *)
 (******************************************************************************)
 
-Class MonoidalCat `{C:Category}{Fobj:prod_obj C C -> C}{F:Functor (C ×× C) C Fobj}(I:C) :=
-{ mon_f         := F
-; mon_i         := I
-; mon_c         := C
-; mon_first     := fun a b c (f:a~>b) => F \ pair_mor (pair_obj a c) (pair_obj b c) f (id c)
-; mon_second    := fun a b c (f:a~>b) => F \ pair_mor (pair_obj c a) (pair_obj c b) (id c) f
-; mon_cancelr   :  (func_rlecnac I >>>> F) <~~~> functor_id C
-; mon_cancell   :  (func_llecnac I >>>> F) <~~~> functor_id C
-; mon_assoc     :  ((F **** (functor_id C)) >>>> F) <~~~> func_cossa >>>> ((((functor_id C) **** F) >>>> F))
-; mon_pentagon  :  Pentagon mon_first mon_second (fun a b c => #(mon_assoc (pair_obj (pair_obj a b) c)))
-; mon_triangle  :  Triangle mon_first mon_second (fun a b c => #(mon_assoc (pair_obj (pair_obj a b) c)))
-                                                 (fun a => #(mon_cancell a)) (fun a => #(mon_cancelr a))
-}.
-(* Coq manual on coercions: ... only the oldest one is valid and the
- * others are ignored. So the order of declaration of coercions is
- * important. *)
-Coercion mon_c   : MonoidalCat >-> Category.
-Coercion mon_f   : MonoidalCat >-> Functor.
-Implicit Arguments mon_f [Ob Hom C Fobj F I].
-Implicit Arguments mon_i [Ob Hom C Fobj F I].
-Implicit Arguments mon_c [Ob Hom C Fobj F I].
-Implicit Arguments MonoidalCat [Ob Hom ].
-
 (* TO DO: show that the endofunctors on any given category form a monoidal category *)
-Section MonoidalFunctor.
-  Context `(m1:MonoidalCat(C:=C1)) `(m2:MonoidalCat(C:=C2)).
-  Class MonoidalFunctor {Mobj:C1->C2} (mf_F:Functor C1 C2 Mobj) :=
-  { mf_f         := mf_F where "f ⊕⊕ g" := (@fmor _ _ _ _ _ _ _ m2 _ _ (pair_mor (pair_obj _ _) (pair_obj _ _) f g))
-  ; mf_coherence :  (mf_F **** mf_F) >>>> (mon_f m2) <~~~> (mon_f m1) >>>> mf_F
-  ; mf_phi       := fun a b => #(mf_coherence (pair_obj a b))
-  ; mf_id        :  (mon_i m2) ≅ (mf_F (mon_i m1))
-  ; mf_cancelr   :  forall a,    #(mon_cancelr(MonoidalCat:=m2) (mf_F a)) ~~
-                                  (id (mf_F a)) ⊕⊕ #mf_id >>> mf_phi a (mon_i _) >>> mf_F \ #(mon_cancelr a)
-  ; mf_cancell   :  forall b,    #(mon_cancell (mf_F b)) ~~
-                                 #mf_id ⊕⊕ (id (mf_F b)) >>> mf_phi (mon_i _) b >>> mf_F \ #(mon_cancell b)
-  ; mf_assoc     :  forall a b c, (mf_phi a b) ⊕⊕ (id (mf_F c)) >>> (mf_phi _ c) >>>
-                                  (mf_F \ #(mon_assoc (pair_obj (pair_obj a b) c) )) ~~
-                                          #(mon_assoc (pair_obj (pair_obj _ _) _) )  >>>
-                                  (id (mf_F a)) ⊕⊕ (mf_phi b c) >>> (mf_phi a _)
-  }.
-End MonoidalFunctor.
-Coercion mf_f : MonoidalFunctor >-> Functor.
-Implicit Arguments mf_coherence [ Ob Hom C1 Fobj F I0 m1 Ob0 Hom0 C2 Fobj0 F0 I1 m2 Mobj mf_F ].
-Implicit Arguments mf_id        [ Ob Hom C1 Fobj F I0 m1 Ob0 Hom0 C2 Fobj0 F0 I1 m2 Mobj mf_F ].
 
-Section MonoidalFunctorsCompose.
-  Context `(m1:MonoidalCat).
-  Context `(m2:MonoidalCat).
-  Context `(m3:MonoidalCat).
-  Context  {f1obj}(f1:@Functor _ _ m1 _ _ m2 f1obj).
-  Context  {f2obj}(f2:@Functor _ _ m2 _ _ m3 f2obj).
-  Context  (mf1:MonoidalFunctor m1 m2 f1).
-  Context  (mf2:MonoidalFunctor m2 m3 f2).
+(*
+ * Unlike Awodey, I define a monoidal category to be a premonoidal
+ * category in which all morphisms are central.  This is partly to
+ * have a clean inheritance hierarchy, but also because Coq bogs down
+ * on product categories for some inexplicable reason.
+ *)
+Class MonoidalCat `(pm:PreMonoidalCat) :=
+{ mon_pm          := pm
+; mon_commutative :> CommutativeCat pm
+}.
+Coercion mon_pm          : MonoidalCat >-> PreMonoidalCat.
+Coercion mon_commutative : MonoidalCat >-> CommutativeCat.
+
+(* a monoidal functor is just a premonoidal functor between premonoidal categories which happen to be monoidal *)
+Definition MonoidalFunctor `(m1:MonoidalCat) `(m2:MonoidalCat) := PreMonoidalFunctor m1 m2.
+
+Definition MonoidalFunctorsCompose
+  `{M1   :MonoidalCat(C:=C1)}
+  `{M2   :MonoidalCat(C:=C2)}
+   {fobj12:C1 -> C2                    }
+   (MF12 :MonoidalFunctor M1 M2 fobj12)
+  `{M3   :MonoidalCat(C:=C3)}
+   {fobj23:C2 -> C3                    }
+   (MF23 :MonoidalFunctor M2 M3 fobj23)
+   : MonoidalFunctor M1 M3 (fobj23 ○ fobj12).
+   apply PreMonoidalFunctorsCompose.
+   apply MF12.
+   apply MF23.
+   Defined.
 
-  Lemma mf_compose_coherence : (f1 >>>> f2) **** (f1 >>>> f2) >>>> m3 <~~~> m1 >>>> (f1 >>>> f2).
-    set (mf_coherence mf1) as mc1.
-    set (mf_coherence mf2) as mc2.
-    set (@ni_comp) as q.
-    set (q _ _ _ _ _ _ _ ((f1 >>>> f2) **** (f1 >>>> f2) >>>> m3) _ ((f1 **** f1 >>>> m2) >>>> f2) _ (m1 >>>> (f1 >>>> f2))) as qq.
-    apply qq; clear qq; clear q.
-    apply (@ni_comp _ _ _ _ _ _ _ _ _ (f1 **** f1 >>>> (f2 **** f2 >>>> m3)) _ _).
-    apply (@ni_comp _ _ _ _ _ _ _ _ _ ((f1 **** f1 >>>> f2 **** f2) >>>> m3) _ _).
-    eapply ni_respects.
-      apply ni_prod_comp.
-      apply ni_id.
-    apply ni_associativity.
-    apply ni_inv.
-    eapply ni_comp.
-      apply (ni_associativity (f1 **** f1) m2 f2).
-      apply (ni_respects (F0:=f1 **** f1)(F1:=f1 **** f1)(G0:=(m2 >>>> f2))(G1:=(f2 **** f2 >>>> m3))).
-        apply ni_id.
-        apply ni_inv.
-        apply mc2.
-    apply ni_inv.
-    eapply ni_comp.
-      eapply ni_inv.
-      apply (ni_associativity m1 f1 f2).
-      apply ni_respects.
-        apply ni_inv.
-        apply mc1.
-        apply ni_id.
+Section BinoidalCat_from_Bifunctor.
+  Context `{C:Category}{Fobj}(F:Functor (C ×× C) C Fobj).
+  Definition BinoidalCat_from_Bifunctor_first (a:C) : Functor C C (fun b => Fobj (pair_obj b a)).
+  apply Build_Functor with (fmor:=(fun a0 b (f:a0~~{C}~~>b) =>
+    @fmor _ _ _ _ _ _ _ F (pair_obj a0 a) (pair_obj b a) (pair_mor (pair_obj a0 a) (pair_obj b a) f (id a)))); intros; simpl;
+    [ abstract (set (fmor_respects(F)) as q; apply q; split; simpl; auto)
+    | abstract (set (fmor_preserves_id(F)) as q; apply q)
+    | abstract (etransitivity; 
+      [ set (@fmor_preserves_comp _ _ _ _ _ _ _ F) as q; apply q
+      | set (fmor_respects(F)) as q; apply q ];
+      split; simpl; auto) ].
+  Defined.
+  Definition BinoidalCat_from_Bifunctor_second (a:C) : Functor C C (fun b => Fobj (pair_obj a b)).
+  apply Build_Functor with (fmor:=(fun a0 b (f:a0~~{C}~~>b) =>
+    @fmor _ _ _ _ _ _ _ F (pair_obj a a0) (pair_obj a b) (pair_mor (pair_obj a a0) (pair_obj a b) (id a) f))); intros;
+    [ abstract (set (fmor_respects(F)) as q; apply q; split; simpl; auto)
+    | abstract (set (fmor_preserves_id(F)) as q; apply q)
+    | abstract (etransitivity; 
+      [ set (@fmor_preserves_comp _ _ _ _ _ _ _ F) as q; apply q
+      | set (fmor_respects(F)) as q; apply q ];
+      split; simpl; auto) ].
   Defined.
 
-  Instance MonoidalFunctorsCompose : MonoidalFunctor m1 m3 (f1 >>>> f2) :=
-  { mf_id        := id_comp         (mf_id mf2) (functors_preserve_isos f2 (mf_id mf1))
-  ; mf_coherence := mf_compose_coherence
-  }.
-  admit.
-  admit.
-  admit.
+  Definition BinoidalCat_from_Bifunctor : BinoidalCat C (fun a b => Fobj (pair_obj a b)).
+   refine {| bin_first  := BinoidalCat_from_Bifunctor_first
+           ; bin_second := BinoidalCat_from_Bifunctor_second
+          |}.
+   Defined.
+
+  Lemma Bifunctors_Create_Commutative_Binoidal_Categories : CommutativeCat BinoidalCat_from_Bifunctor.
+  abstract (intros; apply Build_CommutativeCat; intros; apply Build_CentralMorphism; intros; simpl; (
+    etransitivity; [ apply (fmor_preserves_comp(F)) | idtac ]; symmetry;
+    etransitivity; [ apply (fmor_preserves_comp(F)) | idtac ];
+    apply (fmor_respects(F));
+    split;
+      [ etransitivity; [ apply left_identity | symmetry; apply right_identity ]
+      | etransitivity; [ apply right_identity | symmetry; apply left_identity ] ])).
   Defined.
 
-End MonoidalFunctorsCompose.
+  (* if this binoidal structure has all of the natural isomorphisms of a premonoidal category, then it's monoidal *)
+  Context {pmI}(pm:PreMonoidalCat BinoidalCat_from_Bifunctor pmI).
 
-Section MonoidalCat_is_PreMonoidal.
-  Context `(M:MonoidalCat).
-  Definition mon_bin_M := BinoidalCat_from_Bifunctor (mon_f M).
-  Existing Instance mon_bin_M.
+  Instance PreMonoidalCat_from_bifunctor_is_Monoidal : MonoidalCat pm :=
+  { mon_commutative := Bifunctors_Create_Commutative_Binoidal_Categories
+  }.
 
-  Lemma mon_pmon_assoc : forall a b, (bin_second a >>>> bin_first b) <~~~> (bin_first b >>>> bin_second a).
-    intros.
-    set (fun c => mon_assoc (pair_obj (pair_obj a c) b)) as qq.
-    simpl in qq.
-    apply Build_NaturalIsomorphism with (ni_iso:=qq).
-    abstract (intros; set ((ni_commutes mon_assoc) (pair_obj (pair_obj a A) b) (pair_obj (pair_obj a B) b)
-                    (pair_mor (pair_obj (pair_obj a A) b) (pair_obj (pair_obj a B) b)
-                    (pair_mor (pair_obj a A) (pair_obj a B) (id a) f) (id b))) as qr;
-             apply qr).
-    Defined.
+End BinoidalCat_from_Bifunctor.
 
-  Lemma mon_pmon_assoc_rr   :  forall a b, (bin_first  (a⊗b)) <~~~> (bin_first  a >>>> bin_first  b).
-    intros.
-    set (fun c:C => mon_assoc (pair_obj (pair_obj c a) b)) as qq.
-    simpl in qq.
-    apply ni_inv.
-    apply Build_NaturalIsomorphism with (ni_iso:=qq).
-    abstract (intros; set ((ni_commutes mon_assoc) (pair_obj (pair_obj _ _) _) (pair_obj (pair_obj _ _) _)
-                    (pair_mor (pair_obj (pair_obj _ _) _) (pair_obj (pair_obj _ _) _)
-                    (pair_mor (pair_obj _ _) (pair_obj _ _) f (id a)) (id b))) as qr;
-              etransitivity; [ idtac | apply qr ];
-              apply comp_respects; try reflexivity;
-              unfold mon_f;
-              simpl;
-              apply ((fmor_respects F) (pair_obj _ _) (pair_obj _ _));
-              split; try reflexivity;
-              symmetry;
-              simpl;
-              set (@fmor_preserves_id _ _ _ _ _ _ _ F (pair_obj a b)) as qqqq;
-              simpl in qqqq;
-              apply qqqq).
-   Defined.
 
-  Lemma mon_pmon_assoc_ll   :  forall a b, (bin_second (a⊗b)) <~~~> (bin_second b >>>> bin_second a).
-    intros.
-    set (fun c:C => mon_assoc (pair_obj (pair_obj a b) c)) as qq.
-    simpl in qq.
-    set (@Build_NaturalIsomorphism _ _ _ _ _ _ _ _ (Fobj (pair_obj a b) ⋊-) (b ⋊- >>>> a ⋊-)) as qqq.
-    set (qqq qq) as q'.
-    apply q'.
-    clear q'.
-    clear qqq.
-    abstract (intros; set ((ni_commutes mon_assoc) (pair_obj (pair_obj _ _) _) (pair_obj (pair_obj _ _) _)
-                    (pair_mor (pair_obj (pair_obj _ _) _) (pair_obj (pair_obj _ _) _)
-                    (pair_mor (pair_obj _ _) (pair_obj _ _) (id a) (id b)) f)) as qr;
-              etransitivity; [ apply qr | idtac ];
-              apply comp_respects; try reflexivity;
-              unfold mon_f;
-              simpl;
-              apply ((fmor_respects F) (pair_obj _ _) (pair_obj _ _));
-              split; try reflexivity;
-              simpl;
-              set (@fmor_preserves_id _ _ _ _ _ _ _ F (pair_obj a b)) as qqqq;
-              simpl in qqqq;
-              apply qqqq).
-    Defined.
+(* we can go the other way: given a monoidal category, its left/right functors can be combined into a bifunctor *)
+Section Bifunctor_from_MonoidalCat.
+  Context `(M:MonoidalCat).
 
-  Lemma mon_pmon_cancelr : (bin_first I0) <~~~> functor_id C.
-    set (@Build_NaturalIsomorphism _ _ _ _ _ _ _ _ (bin_first I0) (functor_id C)) as qq.
-    set (mon_cancelr) as z.
-    simpl in z.
-    simpl in qq.
-    set (qq z) as zz.
-    apply zz.
-    abstract (intros;
-              set (ni_commutes mon_cancelr) as q; simpl in *;
-              apply q).
-    Defined.
 
-  Lemma mon_pmon_cancell : (bin_second I0) <~~~> functor_id C.
-    set (@Build_NaturalIsomorphism _ _ _ _ _ _ _ _ (bin_second I0) (functor_id C)) as qq.
-    set (mon_cancell) as z.
-    simpl in z.
-    simpl in qq.
-    set (qq z) as zz.
-    apply zz.
-    abstract (intros;
-              set (ni_commutes mon_cancell) as q; simpl in *;
-              apply q).
+  Definition Bifunctor_from_MonoidalCat_fobj : M ×× M -> M.
+    intro x.
+    destruct x.
+    exact (bin_obj' o o0).
     Defined.
 
-  Lemma mon_pmon_triangle : forall a b, #(mon_pmon_cancelr a) ⋉ b ~~ #(mon_pmon_assoc _ _ _) >>> a ⋊ #(mon_pmon_cancell b).
-    intros.
-    set mon_triangle as q.
-    simpl in q.
-    apply q.
-    Qed.
-
-  Lemma mon_pmon_pentagon a b c d : (#(mon_pmon_assoc a c b ) ⋉ d)  >>>
-                                     #(mon_pmon_assoc a d _ )   >>>
-                                (a ⋊ #(mon_pmon_assoc b d c))
-                                  ~~ #(mon_pmon_assoc _ d c )   >>>
-                                     #(mon_pmon_assoc a _ b ).
-    set (@pentagon _ _ _ _ _ _ _ mon_pentagon) as x.
-    simpl in x.
-    unfold bin_obj.
-    unfold mon_first in x.
+  Definition Bifunctor_from_MonoidalCat_fmor {a}{b}(f:a~~{M××M}~~>b)
+    : (Bifunctor_from_MonoidalCat_fobj a)~~{M}~~>(Bifunctor_from_MonoidalCat_fobj b).
+    destruct a; destruct b; destruct f.
     simpl in *.
-    apply x.
-    Qed.
-
-  Definition MonoidalCat_is_PreMonoidal : PreMonoidalCat (BinoidalCat_from_Bifunctor (mon_f M)) (mon_i M).
-    refine {| pmon_assoc                 := mon_pmon_assoc
-            ; pmon_cancell               := mon_pmon_cancell
-            ; pmon_cancelr               := mon_pmon_cancelr
-            ; pmon_triangle              := {| triangle := mon_pmon_triangle |}
-            ; pmon_pentagon              := {| pentagon := mon_pmon_pentagon |}
-            ; pmon_assoc_ll              := mon_pmon_assoc_ll
-            ; pmon_assoc_rr              := mon_pmon_assoc_rr
-            |}.
-    abstract (set (coincide mon_triangle) as qq; simpl in *; apply qq).
-    abstract (intros; simpl; reflexivity).
-    abstract (intros; simpl; reflexivity).
+    apply (h ⋉ _ >>> _ ⋊ h0).
     Defined.
 
-  Lemma MonoidalCat_all_central : forall a b (f:a~~{M}~~>b), CentralMorphism f.
-    intros;
-    set (@fmor_preserves_comp _ _ _ _ _ _ _ M) as fc.
-    apply Build_CentralMorphism;
-    intros; simpl in *.
-    etransitivity.
-      apply fc.
-      symmetry.
-      etransitivity.
-      apply fc.
-      apply (fmor_respects M).
-      simpl.
-      setoid_rewrite left_identity;
-      setoid_rewrite right_identity;
-      split; reflexivity.
-    etransitivity.
-      apply fc.
-      symmetry.
-      etransitivity.
-      apply fc.
-      apply (fmor_respects M).
-      simpl.
-      setoid_rewrite left_identity;
-      setoid_rewrite right_identity;
-      split; reflexivity.
-    Qed.
-
-End MonoidalCat_is_PreMonoidal.
-
-Hint Extern 1 => apply MonoidalCat_all_central.
-Coercion MonoidalCat_is_PreMonoidal : MonoidalCat >-> PreMonoidalCat.
-
-(* Later: generalize to premonoidal categories *)
-Class DiagonalCat `(mc:MonoidalCat(F:=F)) :=
-{  copy_nt      :  forall a, functor_id _ ~~~> func_diagonal >>>> F
-;  copy         :  forall (a:mc),   a~~{mc}~~>(bin_obj(BinoidalCat:=mc) a a)
-                := fun a => nt_component _ _ (copy_nt a) a
+  Instance Bifunctor_from_MonoidalCat : Functor (M ×× M) M Bifunctor_from_MonoidalCat_fobj :=
+    { fmor := fun x y f => Bifunctor_from_MonoidalCat_fmor f }.
+    intros; simpl.
+    destruct a; destruct b; destruct f; destruct f'; simpl in *.
+    destruct H.
+    apply comp_respects.
+      apply (fmor_respects (-⋉o0)); auto.
+      apply (fmor_respects (o1⋊-)); auto.
+    intros; destruct a; simpl in *.
+      setoid_rewrite (fmor_preserves_id (-⋉o0)).
+      setoid_rewrite left_identity.
+      apply fmor_preserves_id.
+    intros; destruct a; destruct b; destruct c; destruct f; destruct g; simpl in *.
+      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
+      setoid_rewrite juggle3 at 1.
+      assert (CentralMorphism h1).
+        apply mon_commutative.
+      setoid_rewrite <- (centralmor_first(CentralMorphism:=H)).
+      setoid_rewrite <- juggle3.
+      reflexivity.
+      Defined.
+
+End Bifunctor_from_MonoidalCat.
+
+
+Class DiagonalCat `(mc:MonoidalCat) :=
+{ copy          :  forall (a:mc),   a~~{mc}~~>(bin_obj(BinoidalCat:=mc) a a)
+; copy_natural1 :  forall {a}{b}(f:a~~{mc}~~>b)(c:mc), copy _ >>> f ⋉ a >>> b ⋊ f ~~ f >>> copy _
+; copy_natural2 :  forall {a}{b}(f:a~~{mc}~~>b)(c:mc), copy _ >>> a ⋊ f >>> f ⋉ b ~~ f >>> copy _
 (* for non-cartesian braided diagonal categories we also need: copy >> swap == copy *)
 }.
 
 Class CartesianCat `(mc:MonoidalCat) :=
-{ car_terminal  : Terminal mc
-; car_one       : (@one _ _ _ car_terminal) ≅ (mon_i mc)
-; car_diagonal  : DiagonalCat mc
-; car_law1      : forall {a}, id a ~~ (copy(DiagonalCat:=car_diagonal) a) >>> ((drop a >>> #car_one) ⋉ a) >>> (#(pmon_cancell mc _))
-; car_law2      : forall {a}, id a ~~ (copy(DiagonalCat:=car_diagonal) a) >>> (a ⋊ (drop a >>> #car_one)) >>> (#(pmon_cancelr mc _))
+{ car_terminal  :> Terminal mc
+; car_one       :  one ≅ pmon_I
+; car_diagonal  :  DiagonalCat mc
+; car_law1      : forall {a}, id a ~~ (copy(DiagonalCat:=car_diagonal) a) >>> ((drop a >>> #car_one) ⋉ a) >>> (#(pmon_cancell _))
+; car_law2      : forall {a}, id a ~~ (copy(DiagonalCat:=car_diagonal) a) >>> (a ⋊ (drop a >>> #car_one)) >>> (#(pmon_cancelr _))
 ; car_mn        := mc
 }.
 Coercion car_diagonal : CartesianCat >-> DiagonalCat.