split MonoidalCategories into Binoidal and PreMonoidal
[coq-categories.git] / src / PreMonoidalCenter.v
diff --git a/src/PreMonoidalCenter.v b/src/PreMonoidalCenter.v
new file mode 100644 (file)
index 0000000..61b9372
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,417 @@
+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.
+Require Import PreMonoidalCategories.
+Require Import MonoidalCategories_ch_7_8.
+
+(******************************************************************************)
+(* Facts about the center of a Binoidal or PreMonoidal Category               *)
+(******************************************************************************)
+
+Lemma central_morphisms_compose `{bc:BinoidalCat}{a b c}(f:a~>b)(g:b~>c)
+  : CentralMorphism f -> CentralMorphism g -> CentralMorphism (f >>> g).
+  intros.
+  apply Build_CentralMorphism; intros.
+  abstract (setoid_rewrite <- (fmor_preserves_comp(bin_first c0));
+              setoid_rewrite associativity;
+              setoid_rewrite centralmor_first;
+              setoid_rewrite <- associativity;
+              setoid_rewrite centralmor_first;
+              setoid_rewrite associativity;
+              setoid_rewrite <- (fmor_preserves_comp(bin_first d));
+              reflexivity).
+  abstract (setoid_rewrite <- (fmor_preserves_comp(bin_second d));
+              setoid_rewrite <- associativity;
+              setoid_rewrite centralmor_second;
+              setoid_rewrite associativity;
+              setoid_rewrite centralmor_second;
+              setoid_rewrite <- associativity;
+              setoid_rewrite <- (fmor_preserves_comp(bin_second c0));
+              reflexivity).
+  Qed.
+
+(* the central morphisms of a category constitute a subcategory *)
+Definition Center `(bc:BinoidalCat) : SubCategory bc (fun _ => True) (fun _ _ _ _ f => CentralMorphism f).
+  apply Build_SubCategory; intros.
+  apply Build_CentralMorphism; intros.
+  abstract (setoid_rewrite (fmor_preserves_id(bin_first c));
+              setoid_rewrite (fmor_preserves_id(bin_first d));
+              setoid_rewrite left_identity; setoid_rewrite right_identity; reflexivity).
+  abstract (setoid_rewrite (fmor_preserves_id(bin_second c));
+              setoid_rewrite (fmor_preserves_id(bin_second d));
+              setoid_rewrite left_identity; setoid_rewrite right_identity; reflexivity).
+  apply central_morphisms_compose; auto.
+  Qed.
+
+
+Lemma first_preserves_centrality `{C:PreMonoidalCat}{a}{b}(f:a~~{C}~~>b){c} : CentralMorphism f -> CentralMorphism (f ⋉ c).
+  intro cm.
+  apply Build_CentralMorphism; simpl; intros.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr c c0) f) as q.
+  apply iso_shift_right' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+    
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr c d) f) as q.
+  apply iso_shift_right' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+    
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll b c) g) as q.
+  apply symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  setoid_rewrite pmon_coherent_r at 1.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_l at 1.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  set (@iso_comp2 _ _ _ _ _ ((pmon_assoc C b c0) c)) as q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  unfold fmor at 2.
+  simpl.
+  setoid_rewrite (centralmor_first(CentralMorphism:=cm)).
+
+  repeat setoid_rewrite <- associativity.
+  apply comp_respects.
+  apply comp_respects; [ idtac | reflexivity ].
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll a c) g) as q.
+  apply symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  repeat setoid_rewrite associativity.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_l.
+  set (pmon_coherent_l(PreMonoidalCat:=C) c a d) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  setoid_rewrite <- pmon_coherent_r.
+  setoid_rewrite iso_comp1.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  unfold fmor at 3; simpl.
+  apply comp_respects; [ idtac | reflexivity ].
+
+  set (pmon_coherent_r a c c0) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  setoid_rewrite iso_inv_inv in q.
+  apply q.
+    
+  setoid_rewrite pmon_coherent_r.
+  unfold iso_inv.
+  simpl.
+  set (@isos_forward_equal_then_backward_equal) as q.
+  unfold iso_inv in q; simpl in q.
+  apply q.
+  apply pmon_coherent_l.
+
+  (* *)
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr a c) g) as q.
+  symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  unfold fmor in q at 2.
+  simpl in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  
+  set (ni_commutes (pmon_assoc _ d c) f) as q.
+  apply iso_shift_right' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  set (pmon_coherent_r d a c) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  rewrite iso_inv_inv in q.
+  unfold iso_inv in q; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite (iso_comp1 ((pmon_assoc C d c) a)).
+  setoid_rewrite right_identity.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr b c) g) as q.
+  symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  unfold fmor in q at 2.
+  simpl in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  
+  set (ni_commutes (pmon_assoc _ c0 c) f) as q.
+  unfold fmor in q; simpl in q.
+  apply iso_shift_right' in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  set (pmon_coherent_r c0 b c) as q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite (iso_comp1 ((pmon_assoc C c0 c) b)).
+  setoid_rewrite right_identity.
+
+  setoid_rewrite pmon_coherent_r.
+  repeat setoid_rewrite associativity.
+  apply comp_respects; [ reflexivity | idtac ].
+  repeat setoid_rewrite <- associativity.
+  apply comp_respects.
+  setoid_rewrite (fmor_preserves_comp (-⋉c)).
+  apply (fmor_respects (-⋉c)).
+  apply centralmor_second.
+  set (pmon_coherent_r d b c) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  rewrite iso_inv_inv in q.
+  symmetry. 
+  apply q.
+  Qed.
+
+Lemma second_preserves_centrality `{C:PreMonoidalCat}{a}{b}(f:a~~{C}~~>b){c} : CentralMorphism f -> CentralMorphism (c ⋊ f).
+  intro cm.
+  apply Build_CentralMorphism; simpl; intros.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll c a) g) as q.
+  symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  unfold fmor in q at 2.
+  simpl in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  
+  set (ni_commutes (pmon_assoc _ c d) f) as q.
+  apply symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  rewrite <- pmon_coherent_l.
+  setoid_rewrite <- associativity.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  set (iso_comp2 ((pmon_assoc_ll c a) d)) as q.
+  setoid_rewrite q.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  clear q.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll c b) g) as q.
+  apply symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  
+  set (ni_commutes (pmon_assoc _ c c0) f) as q.
+  unfold fmor in q; simpl in q.
+  symmetry in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  rewrite pmon_coherent_l.
+  setoid_rewrite <- associativity.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  set (iso_comp2 ((pmon_assoc _ c c0) b)) as q.
+  setoid_rewrite q.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  clear q.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_l.
+
+  repeat setoid_rewrite associativity.
+  apply comp_respects; [ reflexivity | idtac ].
+  repeat setoid_rewrite <- associativity.
+  apply comp_respects.
+  setoid_rewrite (fmor_preserves_comp (c⋊-)).
+  apply (fmor_respects (c⋊-)).
+  apply centralmor_first.
+  set (pmon_coherent_l b c d) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  apply q.
+
+  (* *)
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll d c) f) as q.
+  apply iso_shift_right' in q.
+  unfold fmor in q at 1; simpl in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+  
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr c a) g) as q.
+  apply symmetry in q.
+  unfold fmor in q at 2; simpl in q.
+  apply iso_shift_left' in q.
+  rewrite q.
+  clear q.
+
+  setoid_rewrite juggle3.
+  set (pmon_coherent_r d c a) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  setoid_rewrite iso_inv_inv in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  setoid_rewrite <- pmon_coherent_l.
+  set (iso_comp1 (((pmon_assoc_ll d c) a))) as q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite (centralmor_second(CentralMorphism:=cm)).
+  symmetry.
+  apply iso_shift_left.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_r.
+  set (pmon_coherent_l c d b) as q.
+  apply isos_forward_equal_then_backward_equal in q.
+  setoid_rewrite q.
+  clear q.
+  apply iso_shift_right.
+  setoid_rewrite iso_inv_inv.
+  repeat setoid_rewrite <- associativity.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_ll c0 c) f) as x.
+  setoid_rewrite <- pmon_coherent_l.
+  symmetry in x.
+  unfold fmor in x at 2; simpl in x.
+  setoid_rewrite <- x.
+  clear x.
+
+  set (ni_commutes (pmon_assoc_rr c b) g) as x.
+  symmetry in x.
+  unfold fmor in x at 2; simpl in x.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_l.
+  setoid_rewrite <- pmon_coherent_r.
+  repeat setoid_rewrite associativity.
+  setoid_rewrite x.
+  clear x.
+  setoid_rewrite <- associativity.
+  setoid_rewrite juggle3.
+  setoid_rewrite pmon_coherent_r.
+  set (iso_comp1 ((pmon_assoc C c0 b) c)) as x.
+  setoid_rewrite x.
+  clear x.
+  setoid_rewrite right_identity.
+  reflexivity.
+  Qed.
+
+Section CenterMonoidal.
+
+  Context `(mc:PreMonoidalCat(I:=pI)).
+
+  Definition CenterMonoidal_Fobj : (Center mc) ×× (Center mc) -> Center mc.
+    intro.
+    destruct X as [a b].
+    destruct a as [a apf].
+    destruct b as [b bpf].
+    exists (a ⊗ b); auto.
+    Defined.
+
+  Definition CenterMonoidal_F_fmor (a b:(Center mc) ×× (Center mc)) : 
+    (a~~{(Center mc) ×× (Center mc)}~~>b) ->
+    ((CenterMonoidal_Fobj a)~~{Center mc}~~>(CenterMonoidal_Fobj b)).
+    destruct a as [[a1 a1'] [a2 a2']].
+    destruct b as [[b1 b1'] [b2 b2']].
+    intro f.
+    destruct f as [[f1 f1'] [f2 f2']].
+    simpl in *.
+    unfold hom.
+    simpl.
+    exists (f1 ⋉ a2 >>> b1 ⋊ f2).
+    apply central_morphisms_compose.
+    apply first_preserves_centrality; auto.
+    apply second_preserves_centrality; auto.
+    Defined.
+
+  Definition CenterMonoidal_F : Functor _ _ CenterMonoidal_Fobj.
+    refine {| fmor := CenterMonoidal_F_fmor |}.
+    intros.
+    destruct a as [[a1 a1'] [a2 a2']].
+    destruct b as [[b1 b1'] [b2 b2']].
+    destruct f as [[f1 f1'] [f2 f2']].
+    destruct f' as [[g1 g1'] [g2 g2']].
+    simpl in *.
+    destruct H.
+    apply comp_respects.
+    set (fmor_respects(-⋉a2)) as q; apply q; auto.
+    set (fmor_respects(b1⋊-)) as q; apply q; auto.
+    intros.
+    destruct a as [[a1 a1'] [a2 a2']].
+    simpl in *.
+    setoid_rewrite (fmor_preserves_id (-⋉a2)).
+    setoid_rewrite (fmor_preserves_id (a1⋊-)).
+    apply left_identity.
+    intros.
+    destruct a as [[a1 a1'] [a2 a2']].
+    destruct b as [[b1 b1'] [b2 b2']].
+    destruct c as [[c1 c1'] [c2 c2']].
+    destruct f as [[f1 f1'] [f2 f2']].
+    destruct g as [[g1 g1'] [g2 g2']].
+    simpl in *.
+    setoid_rewrite juggle3.
+    setoid_rewrite <- (centralmor_first(CentralMorphism:=g1')).
+    setoid_rewrite <- juggle3.
+    setoid_rewrite <- fmor_preserves_comp.
+    reflexivity.
+    Defined.
+
+  Definition center_I : Center mc := exist _ pI I.
+
+  Definition center_cancelr : (func_rlecnac center_I >>>> CenterMonoidal_F) <~~~> functor_id (Center mc).
+    Definition center_cancelr_niso : ∀A : Center mc, CenterMonoidal_Fobj (pair_obj A center_I) ≅ A.
+      intros.
+      destruct A; simpl.
+      set (ni_iso (pmon_cancelr mc) x) as q.
+      (*refine {| iso_forward := #q ; iso_backward := iso_backward q |}.*)
+      admit.
+      Defined.
+    refine {| ni_iso := center_cancelr_niso |}.
+    admit.
+    Defined.
+
+  Definition center_cancell : (func_llecnac center_I >>>> CenterMonoidal_F) <~~~> functor_id (Center mc).
+    Definition center_cancell_niso : ∀A : Center mc, CenterMonoidal_Fobj (pair_obj center_I A) ≅ A.
+      admit.
+      Defined.
+    refine {| ni_iso := center_cancell_niso |}.
+    admit.
+    Defined.
+
+  Definition center_assoc :
+    ((CenterMonoidal_F **** (functor_id _)) >>>> CenterMonoidal_F)
+    <~~~> func_cossa >>>> ((((functor_id _) **** CenterMonoidal_F) >>>> CenterMonoidal_F)).
+
+    Definition center_assoc_niso : ∀A : (Center mc ×× Center mc) ×× Center mc,
+      ((((CenterMonoidal_F **** (functor_id _)) >>>> CenterMonoidal_F) A))
+      ≅ ((func_cossa >>>> ((((functor_id _) **** CenterMonoidal_F) >>>> CenterMonoidal_F))) A).
+      admit.
+      Defined.
+
+    refine {| ni_iso := center_assoc_niso |}.
+    admit.
+    Defined.
+
+  Instance CenterMonoidal : MonoidalCat _ _ CenterMonoidal_F (exist _ pI I) :=
+  { mon_cancelr := center_cancelr
+  ; mon_cancell := center_cancell
+  ; mon_assoc   := center_assoc
+  }.
+    admit.
+    admit.
+    Defined.
+
+End CenterMonoidal.