split MonoidalCategories into Binoidal and PreMonoidal
[coq-categories.git] / src / PreMonoidalCategories.v
diff --git a/src/PreMonoidalCategories.v b/src/PreMonoidalCategories.v
new file mode 100644 (file)
index 0000000..7d9699b
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,92 @@
+Generalizable All Variables.
+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 NaturalTransformations_ch7_4.
+Require Import NaturalIsomorphisms_ch7_5.
+Require Import Coherence_ch7_8.
+Require Import BinoidalCategories.
+
+(* not in Awodey *)
+Class PreMonoidalCat `(bc:BinoidalCat(C:=C))(I:C) :=
+{ pmon_I          := I
+; pmon_bin        := bc
+; pmon_cat        := C
+; pmon_assoc      : forall a b, (bin_second a >>>> bin_first b) <~~~> (bin_first b >>>> bin_second a)
+; pmon_cancelr    :                               (bin_first I) <~~~> functor_id C
+; pmon_cancell    :                              (bin_second I) <~~~> functor_id C
+; pmon_pentagon   : Pentagon (fun a b c f => f ⋉ c) (fun a b c f => c ⋊ f) (fun a b c => #((pmon_assoc a c) b))
+; pmon_triangle   : Triangle (fun a b c f => f ⋉ c) (fun a b c f => c ⋊ f) (fun a b c => #((pmon_assoc a c) b))
+                             (fun a => #(pmon_cancell a)) (fun a => #(pmon_cancelr a))
+; pmon_assoc_rr   :  forall a b, (bin_first  (a⊗b)) <~~~> (bin_first  a >>>> bin_first  b)
+; pmon_assoc_ll   :  forall a b, (bin_second (a⊗b)) <~~~> (bin_second b >>>> bin_second a)
+; pmon_coherent_r :  forall a c d:C,  #(pmon_assoc_rr c d a) ~~ #(pmon_assoc a d c)⁻¹
+; pmon_coherent_l :  forall a c d:C,  #(pmon_assoc_ll c a d) ~~ #(pmon_assoc c d a)
+}.
+(*
+ * Premonoidal categories actually have three associators (the "f"
+ * indicates the position in which the operation is natural:
+ *
+ *  assoc    : (A ⋊ f) ⋉ C <->  A ⋊ (f ⋉  C)
+ *  assoc_rr : (f ⋉ B) ⋉ C <->  f ⋉ (B  ⊗ C)
+ *  assoc_ll : (A ⋊ B) ⋊ f <-> (A ⊗  B) ⋊ f
+ *
+ * Fortunately, in a monoidal category these are all the same natural
+ * isomorphism (and in any case -- monoidal or not -- the objects in
+ * the left column are all the same and the objects in the right
+ * column are all the same).  This formalization assumes that is the
+ * case even for premonoidal categories with non-central maps, in
+ * order to keep the complexity manageable.  I don't know much about
+ * the consequences of having them and letting them be different; you
+ * might need extra versions of the triangle/pentagon diagrams.
+ *)
+
+Implicit Arguments pmon_cancell [ Ob Hom C bin_obj' bc I ].
+Implicit Arguments pmon_cancelr [ Ob Hom C bin_obj' bc I ].
+Implicit Arguments pmon_assoc   [ Ob Hom C bin_obj' bc I ].
+Coercion pmon_bin : PreMonoidalCat >-> BinoidalCat.
+
+(* this turns out to be Exercise VII.1.1 from Mac Lane's CWM *)
+Lemma MacLane_ex_VII_1_1 `{mn:PreMonoidalCat(I:=EI)} a b
+  : #((pmon_cancelr mn) (a ⊗ b)) ~~ #((pmon_assoc mn a EI) b) >>> (a ⋊-) \ #((pmon_cancelr mn) b).
+  set (pmon_pentagon EI EI a b) as penta. unfold pmon_pentagon in penta.
+  set (pmon_triangle a b) as tria. unfold pmon_triangle in tria.
+  apply (fmor_respects(bin_second EI)) in tria.
+  set (@fmor_preserves_comp) as fpc.
+  setoid_rewrite <- fpc in tria.
+  set (ni_commutes (pmon_assoc mn a b)) as xx.
+  (* FIXME *)
+  Admitted.
+
+Class PreMonoidalFunctor
+`(PM1:PreMonoidalCat(C:=C1)(I:=I1))
+`(PM2:PreMonoidalCat(C:=C2)(I:=I2))
+ (fobj : C1 -> C2          ) :=
+{ mf_F                :> Functor C1 C2 fobj
+; mf_preserves_i      :  mf_F I1 ≅ I2
+; mf_preserves_first  :  forall a,   bin_first a >>>> mf_F  <~~~>  mf_F >>>> bin_first  (mf_F a)
+; mf_preserves_second :  forall a,  bin_second a >>>> mf_F  <~~~>  mf_F >>>> bin_second (mf_F a)
+; mf_preserves_center :  forall `(f:a~>b), CentralMorphism f -> CentralMorphism (mf_F \ f)
+}.
+Coercion mf_F : PreMonoidalFunctor >-> Functor.
+
+(*******************************************************************************)
+(* Braided and Symmetric Categories                                            *)
+
+Class BraidedCat `(mc:PreMonoidalCat) :=
+{ br_niso        : forall a, bin_first a <~~~> bin_second a
+; br_swap        := fun a b => ni_iso (br_niso b) a
+; triangleb      : forall a:C,     #(pmon_cancelr mc a) ~~ #(br_swap a (pmon_I(PreMonoidalCat:=mc))) >>> #(pmon_cancell mc a)
+; hexagon1       : forall {a b c}, #(pmon_assoc mc _ _ _) >>> #(br_swap a _) >>> #(pmon_assoc mc _ _ _)
+                                   ~~ #(br_swap _ _) ⋉ c >>> #(pmon_assoc mc _ _ _) >>> b ⋊ #(br_swap _ _)
+; hexagon2       : forall {a b c}, #(pmon_assoc mc _ _ _)⁻¹ >>> #(br_swap _ c) >>> #(pmon_assoc mc _ _ _)⁻¹
+                                   ~~ a ⋊ #(br_swap _ _) >>> #(pmon_assoc mc _ _ _)⁻¹ >>> #(br_swap _ _) ⋉ b
+}.
+
+Class SymmetricCat `(bc:BraidedCat) :=
+{ symcat_swap  :  forall a b:C, #((br_swap(BraidedCat:=bc)) a b) ~~ #(br_swap _ _)⁻¹
+}.