make the Functor of {Pre}MonoidalFunctor a parameter rather than a field
[coq-categories.git] / src / PreMonoidalCategories.v
index 4ab56d2..fdda1a5 100644 (file)
@@ -3,6 +3,7 @@ Require Import Preamble.
 Require Import Categories_ch1_3.
 Require Import Functors_ch1_4.
 Require Import Isomorphisms_ch1_5.
+Require Import EpicMonic_ch2_1.
 Require Import InitialTerminal_ch2_2.
 Require Import Subcategories_ch7_1.
 Require Import NaturalTransformations_ch7_4.
@@ -53,22 +54,102 @@ Implicit Arguments pmon_assoc   [ Ob Hom C bin_obj' bc I PreMonoidalCat ].
 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 (a ⊗ b)) ~~ #((pmon_assoc a EI) b) >>> (a ⋊-) \ #(pmon_cancelr 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 a b)) as xx.
-  (* FIXME *)
-  Admitted.
+Lemma MacLane_ex_VII_1_1 `{mn:PreMonoidalCat(I:=EI)} b a
+  : 
+  let    α := fun a b c => #((pmon_assoc a c) b)
+  in     α a b EI >>> _ ⋊ #(pmon_cancelr _) ~~ #(pmon_cancelr _).
+
+  intros.  simpl in α.
+
+  (* following Mac Lane's hint, we aim for (λ >>> α >>> λ×1)~~(λ >>> λ) *)
+  set (epic _ (iso_epic (pmon_cancelr ((a⊗b)⊗EI)))) as q.
+    apply q.
+    clear q.
+
+  (* next, we show that the hint goal above is implied by the bottom-left 1/5th of the big whiteboard diagram *)
+  set (ni_commutes pmon_cancelr (α a b EI)) as q.
+    setoid_rewrite <- associativity.
+    setoid_rewrite q.
+    clear q.
+    setoid_rewrite associativity.
+
+    set (ni_commutes pmon_cancelr (a ⋊ #(pmon_cancelr b))) as q.
+    simpl in q.
+    setoid_rewrite q.
+    clear q.
+
+    set (ni_commutes pmon_cancelr (#(pmon_cancelr (a⊗b)))) as q.
+    simpl in q.
+    setoid_rewrite q.
+    clear q.
+
+    setoid_rewrite <- associativity.
+    apply comp_respects; try reflexivity.
+
+  (* now we carry out the proof in the whiteboard diagram, starting from the pentagon diagram *)
+
+  (* top 2/5ths *)
+  assert (α (a⊗b) EI EI >>> α _ _ _ >>> (_ ⋊ (_ ⋊ #(pmon_cancell _))) ~~ #(pmon_cancelr _) ⋉ _ >>> α _ _ _).
+    set (pmon_triangle (a⊗b) EI) as tria.
+    simpl in tria.
+    unfold α; simpl.
+    setoid_rewrite tria.
+    clear tria.
+    setoid_rewrite associativity.
+    apply comp_respects; try reflexivity.
+    set (ni_commutes (pmon_assoc_ll a b) #(pmon_cancell EI)) as x.
+    simpl in x.
+    setoid_rewrite pmon_coherent_l in x.
+    apply x.
+
+  (* bottom 3/5ths *)
+  assert (((#((pmon_assoc a EI) b) ⋉ EI >>> #((pmon_assoc a EI) (b ⊗ EI))) >>>
+    a ⋊ #((pmon_assoc b EI) EI)) >>> a ⋊ (b ⋊ #(pmon_cancell EI))
+    ~~ α _ _ _ ⋉ _ >>> (_ ⋊ #(pmon_cancelr _)) ⋉ _ >>> α _ _ _).
+
+    unfold α; simpl.
+    repeat setoid_rewrite associativity.
+    apply comp_respects; try reflexivity.
+
+    set (ni_commutes (pmon_assoc a EI) (#(pmon_cancelr b) )) as x.
+    simpl in x.
+    setoid_rewrite <- associativity.
+    simpl in x.
+    setoid_rewrite <- x.
+    clear x.
+
+    setoid_rewrite associativity.
+    apply comp_respects; try reflexivity.
+    setoid_rewrite (fmor_preserves_comp (a⋊-)).
+    apply (fmor_respects (a⋊-)).
+
+    set (pmon_triangle b EI) as tria.
+    simpl in tria.
+    symmetry.
+    apply tria.
+
+  set (pmon_pentagon a b EI EI) as penta. unfold pmon_pentagon in penta. simpl in penta.
+
+  set (@comp_respects _ _ _ _ _ _ _ _ penta (a ⋊ (b ⋊ #(pmon_cancell EI))) (a ⋊ (b ⋊ #(pmon_cancell EI)))) as qq.
+    unfold α in H.
+    setoid_rewrite H in qq.
+    unfold α in H0.
+    setoid_rewrite H0 in qq.
+    clear H0 H.
+
+  unfold α.
+    apply (monic _ (iso_monic ((pmon_assoc a EI) b))).
+    apply qq.
+    clear qq penta.
+    reflexivity.
+    Qed.
 
 Class PreMonoidalFunctor
-`(PM1:PreMonoidalCat(C:=C1)(I:=I1))
-`(PM2:PreMonoidalCat(C:=C2)(I:=I2))
- (fobj : C1 -> C2                 ) :=
-{ mf_F          :> Functor C1 C2 fobj
+`(PM1  : PreMonoidalCat(C:=C1)(I:=I1))
+`(PM2  : PreMonoidalCat(C:=C2)(I:=I2))
+ {fobj : C1 -> C2                 }
+ (F    : Functor C1 C2 fobj       ) :=
+{ mf_F          := F
 ; mf_i          :  I2 ≅ mf_F I1
 ; mf_first      :  ∀ a,              mf_F >>>> bin_first  (mf_F a)  <~~~>  bin_first  a >>>> mf_F
 ; mf_second     :  ∀ a,              mf_F >>>> bin_second (mf_F a)  <~~~>  bin_second a >>>> mf_F
@@ -76,8 +157,8 @@ Class PreMonoidalFunctor
 ; mf_center     :  forall `(f:a~>b), CentralMorphism f -> CentralMorphism (mf_F \ f)
 ; mf_cancell    :  ∀ b,     #(pmon_cancell _) ~~ #mf_i ⋉ _ >>> #(mf_first  b I1) >>> mf_F \ #(pmon_cancell b)
 ; mf_cancelr    :  ∀ a,     #(pmon_cancelr _) ~~ _ ⋊ #mf_i >>> #(mf_second a I1) >>> mf_F \ #(pmon_cancelr a)
-; mf_assoc      :  ∀ a b c, #(pmon_assoc _ _ _)  >>> _ ⋊ #(mf_second _ _) >>>        #(mf_second _ _) ~~
-                            #(mf_second _ _) ⋉ _ >>>     #(mf_second _ _) >>> mf_F \ #(pmon_assoc a c b)
+; mf_assoc      :  ∀ a b c, #(pmon_assoc _ _ _)  >>> _ ⋊ #(mf_first _ _) >>>        #(mf_second _ _) ~~
+                            #(mf_second _ _) ⋉ _  >>>     #(mf_first _ _) >>> mf_F \ #(pmon_assoc a c b)
 }.
 Coercion mf_F : PreMonoidalFunctor >-> Functor.
 
@@ -86,10 +167,12 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
   `{PM1   :PreMonoidalCat(C:=C1)(I:=I1)}
   `{PM2   :PreMonoidalCat(C:=C2)(I:=I2)}
    {fobj12:C1 -> C2                    }
-   (PMF12 :PreMonoidalFunctor PM1 PM2 fobj12)
+   {PMFF12:Functor C1 C2 fobj12        }
+   (PMF12 :PreMonoidalFunctor PM1 PM2 PMFF12)
   `{PM3   :PreMonoidalCat(C:=C3)(I:=I3)}
    {fobj23:C2 -> C3                    }
-   (PMF23 :PreMonoidalFunctor PM2 PM3 fobj23).
+   {PMFF23:Functor C2 C3 fobj23        }
+   (PMF23 :PreMonoidalFunctor PM2 PM3 PMFF23).
 
   Definition compose_mf := PMF12 >>>> PMF23.
 
@@ -108,8 +191,7 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
     eapply ni_comp.
     apply (ni_associativity PMF12 PMF23 (- ⋉fobj23 (fobj12 a))).
     eapply ni_comp.
-    apply (ni_respects PMF12 PMF12 (PMF23 >>>> - ⋉fobj23 (fobj12 a)) (- ⋉fobj12 a >>>> PMF23)).
-    apply  ni_id.
+    apply (ni_respects1 PMF12 (PMF23 >>>> - ⋉fobj23 (fobj12 a)) (- ⋉fobj12 a >>>> PMF23)).
     apply mf_first23.
     clear mf_first23.
 
@@ -122,7 +204,7 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
     eapply ni_inv.
     eapply (ni_associativity _ PMF12 PMF23).
 
-    apply ni_respects; [ idtac | apply ni_id ].
+    apply ni_respects2.
     apply ni_inv.
     apply mf_first12.
     Defined.
@@ -135,8 +217,7 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
     eapply ni_comp.
     apply (ni_associativity PMF12 PMF23 (fobj23 (fobj12 a) ⋊-)).
     eapply ni_comp.
-    apply (ni_respects PMF12 PMF12 (PMF23 >>>> fobj23 (fobj12 a) ⋊-) (fobj12 a ⋊- >>>> PMF23)).
-    apply  ni_id.
+    apply (ni_respects1 PMF12 (PMF23 >>>> fobj23 (fobj12 a) ⋊-) (fobj12 a ⋊- >>>> PMF23)).
     apply mf_second23.
     clear mf_second23.
 
@@ -149,124 +230,128 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
     eapply ni_inv.
     eapply (ni_associativity (a ⋊-) PMF12 PMF23).
 
-    apply ni_respects; [ idtac | apply ni_id ].
+    apply ni_respects2.
     apply ni_inv.
     apply mf_second12.
     Defined.
 
-  Lemma compose_assoc_coherence a b c : 
-   (#((pmon_assoc (compose_mf a) (fobj23 (fobj12 c))) (compose_mf b)) >>>
-    compose_mf a ⋊ #((compose_mf_second b) c)) >>>
+  (* this proof is really gross; I will write a better one some other day *)
+  Lemma mf_associativity_comp :
+   ∀a b c : C1,
+   (#((pmon_assoc (compose_mf a) (compose_mf c)) (fobj23 (fobj12 b))) >>>
+    compose_mf a ⋊ #((compose_mf_first c) b)) >>>
    #((compose_mf_second a) (b ⊗ c)) ~~
-   (#((compose_mf_second a) b) ⋉ fobj23 (fobj12 c) >>>
-    #((compose_mf_second (a ⊗ b)) c)) >>> compose_mf \ #((pmon_assoc a c) b).
-(*
-      set (mf_assoc a b c) as x.
-      set (mf_assoc (fobj12 a) (fobj12 b) (fobj12 c)) as x'.
-      unfold functor_fobj in *.
-      simpl in *.
-      etransitivity.
-      etransitivity.
-      etransitivity.
-      Focus 3.
-      apply x'.
-
-      apply iso_shift_left' in x'.
-
+   (#((compose_mf_second a) b) ⋉ compose_mf c >>>
+    #((compose_mf_first c) (a ⊗ b))) >>> compose_mf \ #((pmon_assoc a c) b).
+    intros; intros.
       unfold compose_mf_second; simpl.
+      unfold compose_mf_first; simpl.
+      unfold functor_comp; simpl.
+      unfold ni_respects1.
       unfold functor_fobj; simpl.
-      set (mf_second (fobj12 b)) as m.
-      assert (mf_second (fobj12 b)=m). reflexivity.
-      destruct m; simpl.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite right_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-
-      set (mf_second (fobj12 (a ⊗ b))) as m''.
-      assert (mf_second (fobj12 (a ⊗ b))=m''). reflexivity.
-      destruct m''; simpl.
-      unfold functor_fobj; simpl.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite right_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      setoid_rewrite left_identity.
-
-      set (mf_second (fobj12 a)) as m'.
-      assert (mf_second (fobj12 a)=m'). reflexivity.
+      
+      set (mf_first (fobj12 c)) as m'.
+      assert (mf_first (fobj12 c)=m'). reflexivity.
       destruct m'; simpl.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
-      setoid_rewrite    left_identity.
-      setoid_rewrite    left_identity.
-      setoid_rewrite    left_identity.
-      setoid_rewrite    right_identity.
-      assert (fobj23 (fobj12 a) ⋊ PMF23 \ id (PMF12 (b ⊗ c)) ~~ id _).
-      (* *)
-      setoid_rewrite H2.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      assert ((id (fobj23 (fobj12 a) ⊗ fobj23 (fobj12 b)) ⋉ fobj23 (fobj12 c)) ~~ id _).
-      (* *)
-      setoid_rewrite H3.
-      setoid_rewrite left_identity.
-      assert (id (fobj23 (fobj12 a ⊗ fobj12 b)) ⋉ fobj23 (fobj12 c) ~~ id _).
-      (* *)
-        setoid_rewrite H4.
-        setoid_rewrite left_identity.
-        clear H4.
-        setoid_rewrite left_identity.
-      assert (id (fobj23 (fobj12 (a ⊗ b))) ⋉ fobj23 (fobj12 c) ~~ id _).
-      (* *)
-        setoid_rewrite H4.
-        setoid_rewrite right_identity.
-        clear H4.
-      assert ((fobj23 (fobj12 a) ⋊ PMF23 \ id (PMF12 b)) ⋉ fobj23 (fobj12 c) ~~ id _).
-      (* *)
-        setoid_rewrite H4.
-        setoid_rewrite left_identity.
-        clear H4.
-      unfold functor_comp in ni_commutes0; simpl in ni_commutes0.
-      unfold functor_comp in ni_commutes;  simpl in ni_commutes.
-      unfold functor_comp in ni_commutes1;  simpl in ni_commutes1.
 
+      set (mf_second (fobj12 a)) as m.
+      assert (mf_second (fobj12 a)=m). reflexivity.
+      destruct m; simpl.
 
-      unfold functor_fobj in *.
-      simpl in *.
-      setoid_rewrite x in x'.
-      rewrite H1.
-      set (ni_commutes0 (a )
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
+      Implicit Arguments id [[Ob][Hom][Category][a]].
+      idtac.
+
+      symmetry.
       etransitivity.
-      eapply comp_respects.
+      repeat setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
+      repeat setoid_rewrite fmor_preserves_id.
+      repeat setoid_rewrite left_identity.
+      repeat setoid_rewrite right_identity.
+      reflexivity.
+      symmetry.
+      etransitivity.
+      repeat setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
+      repeat setoid_rewrite fmor_preserves_id.
+      repeat setoid_rewrite left_identity.
+      repeat setoid_rewrite right_identity.
       reflexivity.
-      eapply comp_respects.
-      eapply comp_respects.
-        apply 
-      Focus 2.
-      eapply fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite    (fmor_preserves_id PMF23).
-*)
-    admit.
-    Qed.
 
-  Instance PreMonoidalFunctorsCompose : PreMonoidalFunctor PM1 PM3 (fobj23 ○ fobj12) :=
+      assert (   (#((pmon_assoc (fobj23 (fobj12 a)) (fobj23 (fobj12 c)))
+              (fobj23 (fobj12 b))) >>>
+          fobj23 (fobj12 a)
+          ⋊ (
+             (#(ni_iso (fobj12 b)) >>> ( (PMF23 \ #((mf_first c) b) ))))) >>>
+         (
+          (#(ni_iso0 (fobj12 (b ⊗ c))) >>>
+           ((PMF23 \ #((mf_second a) (b ⊗ c)))))) ~~
+         ((
+           (#(ni_iso0 (fobj12 b)) >>> ( (PMF23 \ #((mf_second a) b) ))))
+          ⋉ fobj23 (fobj12 c) >>>
+          (
+           (#(ni_iso (fobj12 (a ⊗ b))) >>>
+            ( (PMF23 \ #((mf_first c) (a ⊗ b))))))) >>>
+         PMF23 \ (PMF12 \ #((pmon_assoc a c) b))
+      ).
+
+      repeat setoid_rewrite associativity.
+      setoid_rewrite (fmor_preserves_comp PMF23).
+            unfold functor_comp in *.
+            unfold functor_fobj in *.
+            simpl in *.
+            rename ni_commutes into ni_commutes7.
+      set (mf_assoc(PreMonoidalFunctor:=PMF12)) as q.
+      set (ni_commutes7 _ _ (#((mf_second a) b))) as q'.
+      simpl in q'.
+      repeat setoid_rewrite associativity.
+      symmetry.
+      setoid_rewrite <- (fmor_preserves_comp (-⋉ fobj23 (fobj12 c))).
+      repeat setoid_rewrite <- associativity.
+      setoid_rewrite juggle1.
+      setoid_rewrite <- q'.
+      repeat setoid_rewrite associativity.
+      setoid_rewrite fmor_preserves_comp.
+      idtac.
+      unfold functor_fobj in *.
+      simpl in *.
+      repeat setoid_rewrite <- associativity.
+      setoid_rewrite <- q.
+      clear q.
+      repeat setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
+      repeat setoid_rewrite <- associativity.
+      apply comp_respects; try reflexivity.
+      
+      set (mf_assoc(PreMonoidalFunctor:=PMF23) (fobj12 a) (fobj12 b) (fobj12 c)) as q.
+      unfold functor_fobj in *.
+      simpl in *.
+      
+      rewrite H in q.
+      rewrite H0 in q.
+      simpl in q.
+      repeat setoid_rewrite <- associativity.
+      repeat setoid_rewrite <- associativity in q.
+      setoid_rewrite <- q.
+      clear q.
+      unfold functor_fobj; simpl.
+      
+      repeat setoid_rewrite associativity.
+      apply comp_respects; try reflexivity.
+      apply comp_respects; try reflexivity.
+      auto.
+      
+      repeat setoid_rewrite associativity.
+      repeat setoid_rewrite associativity in H1.
+      repeat setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp in H1.
+      repeat setoid_rewrite associativity in H1.
+      apply H1.
+      Qed.
+      Implicit Arguments id [[Ob][Hom][Category]].
+
+  (* this proof is really gross; I will write a better one some other day *)
+  Instance PreMonoidalFunctorsCompose : PreMonoidalFunctor PM1 PM3 compose_mf :=
   { mf_i      := compose_mf_i
-  ; mf_F      := compose_mf
   ; mf_first  := compose_mf_first  
   ; mf_second := compose_mf_second }.
+
     intros; unfold compose_mf_first; unfold compose_mf_second.
       set (mf_first (PMF12 a)) as x in *.
       set (mf_second (PMF12 b)) as y in *.
@@ -279,31 +364,12 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
       repeat setoid_rewrite right_identity.
       set (mf_consistent (PMF12 a) (PMF12 b)) as later.
       apply comp_respects; try reflexivity.
-      unfold functor_comp.
-      unfold functor_fobj; simpl.
-      set (ni_commutes _ _ (id (fobj12 b))) as x.
-      unfold functor_comp in x.
-      simpl in x.
-      unfold functor_fobj in x.
-      symmetry in x.
-      etransitivity.
-      apply x.
-      clear x.
-      set (ni_commutes0 _ _ (id (fobj12 a))) as x'.
-      unfold functor_comp in x'.
-      simpl in x'.
-      unfold functor_fobj in x'.
-      etransitivity; [ idtac | apply x' ].
-      clear x'.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite right_identity.
       rewrite <- H in later.
       rewrite <- H0 in later.
       simpl in later.
       apply later.
       apply fmor_respects.
-      apply (mf_consistent a b).
+      apply mf_consistent.
 
     intros.
       simpl.
@@ -339,22 +405,13 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
       repeat setoid_rewrite associativity.
       apply comp_respects; try reflexivity.
 
-      set (ni_commutes _ _ (id (fobj12 I1))) as x.
+      set (ni_commutes _ _ #mf_i) as x.
       unfold functor_comp in x.
       unfold functor_fobj in x.
       simpl in x.
-      setoid_rewrite <- x.
-      clear x.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite right_identity.
-
       rewrite H.
       simpl.
-      clear H.
-      unfold functor_comp in ni_commutes.
-      simpl in ni_commutes.
-      apply ni_commutes.
+      apply x.
 
     intros.
       unfold compose_mf_second; simpl.
@@ -384,24 +441,16 @@ Section PreMonoidalFunctorsCompose.
       repeat setoid_rewrite associativity.
       apply comp_respects; try reflexivity.
 
-      set (ni_commutes _ _ (id (fobj12 I1))) as x.
+      set (ni_commutes _ _ #mf_i) as x.
       unfold functor_comp in x.
       unfold functor_fobj in x.
       simpl in x.
-      setoid_rewrite <- x.
-      clear x.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite fmor_preserves_id.
-      setoid_rewrite right_identity.
-
       rewrite H.
       simpl.
-      clear H.
-      unfold functor_comp in ni_commutes.
-      simpl in ni_commutes.
-      apply ni_commutes.
+      apply x.
+
+    apply mf_associativity_comp.
 
-    apply compose_assoc_coherence.
       Defined.
 
 End PreMonoidalFunctorsCompose.
@@ -726,4 +775,4 @@ Section PreMonoidalFullSubcategory.
   }.
   Defined.
 End PreMonoidalFullSubcategory.
-*)
\ No newline at end of file
+*)