clean up hints for NaturalDeduction, split ProgrammingLanguage into multiple files
[coq-hetmet.git] / src / NaturalDeductionCategory.v
index 1bd8bf2..9360bfa 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 (*********************************************************************************************************************************)
 (* NaturalDeductionCategory:                                                                                                     *)
 (*                                                                                                                               *)
-(*   Natural Deduction proofs form a category (under mild assumptions, see below)                                                *)
+(*   Natural Deduction proofs form a category                                                                                    *)
 (*                                                                                                                               *)
 (*********************************************************************************************************************************)
 
@@ -14,15 +14,16 @@ Require Import Algebras_ch4.
 Require Import Categories_ch1_3.
 Require Import Functors_ch1_4.
 Require Import Isomorphisms_ch1_5.
-Require Import ProductCategories_ch1_6_1.
 Require Import OppositeCategories_ch1_6_2.
 Require Import Enrichment_ch2_8.
 Require Import Subcategories_ch7_1.
 Require Import NaturalTransformations_ch7_4.
 Require Import NaturalIsomorphisms_ch7_5.
-Require Import MonoidalCategories_ch7_8.
 Require Import Coherence_ch7_8.
 Require Import InitialTerminal_ch2_2.
+Require Import BinoidalCategories.
+Require Import PreMonoidalCategories.
+Require Import MonoidalCategories_ch7_8.
 
 Open Scope nd_scope.
 Open Scope pf_scope.
@@ -36,6 +37,7 @@ Section Judgments_Category.
 
   Notation "pf1 === pf2" := (@ndr_eqv _ _ nd_eqv _ _ pf1 pf2).
 
+  (* there is a category whose objects are judgments and whose morphisms are proofs *)
   Instance Judgments_Category : Category (Tree ??Judgment) (fun h c => h /⋯⋯/ c) :=
   { id   := fun h          => nd_id _
   ; comp := fun a b c f g  => f ;; g
@@ -46,193 +48,145 @@ Section Judgments_Category.
     | unfold Symmetric; intros; symmetry; auto
     | unfold Transitive; intros; transitivity y; auto ].
   unfold Proper; unfold respectful; intros; simpl; apply ndr_comp_respects; auto.
-  intros; apply ndr_comp_left_identity.
-  intros; apply ndr_comp_right_identity.
+  intros; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
+  intros; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
   intros; apply ndr_comp_associativity.
   Defined.
 
-  Definition Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj : Judgments_Category ×× Judgments_Category -> Judgments_Category :=
-    fun xy => (fst_obj _ _ xy),,(snd_obj _ _ xy).
-  Definition Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fmor :
-           forall a b, (a~~{Judgments_Category ×× Judgments_Category}~~>b) ->
-           ((Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj a)
-           ~~{Judgments_Category}~~>
-           (Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj b)).
-     intros.
-     destruct a.
-     destruct b.
-     destruct X.
-     simpl in *.
-     exact (h**h0).
-     Defined.
-  Definition Judgments_Category_monoidal_endofunctor
-  : Functor (Judgments_Category ×× Judgments_Category) Judgments_Category Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj.
-    refine {| fmor := Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fmor |}; intros; simpl.
-    abstract (destruct a; destruct b; destruct f; destruct f'; auto; destruct H; simpl in *; apply ndr_prod_respects; auto).
-    abstract (destruct a; simpl in *; reflexivity).
-    abstract (destruct a; destruct b; destruct c; destruct f; destruct g; symmetry; simpl in *; apply ndr_prod_preserves_comp).
+  (* Judgments form a binoidal category *)
+  Instance jud_first (a:Judgments_Category) : Functor Judgments_Category Judgments_Category (fun x => x,,a) :=
+    { fmor := fun b c (f:b /⋯⋯/ c) => f ** (nd_id a) }.
+    intros; unfold eqv; simpl; apply ndr_prod_respects; auto.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *; reflexivity.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *; apply (ndr_builtfrom_structural (nd_id a)); auto.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *.
+      setoid_rewrite <- ndr_prod_preserves_comp.
+      apply (ndr_builtfrom_structural (f;;g)); auto.
     Defined.
-
+  Instance jud_second (a:Judgments_Category) : Functor Judgments_Category Judgments_Category (fun x => a,,x) :=
+    { fmor := fun b c (f:b /⋯⋯/ c) => (nd_id a) ** f }.
+    intros; unfold eqv; simpl; apply ndr_prod_respects; auto.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *; reflexivity.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *; apply (ndr_builtfrom_structural (nd_id a)); auto.
+    intros; unfold eqv in *; simpl in *.
+      setoid_rewrite <- ndr_prod_preserves_comp.
+      apply (ndr_builtfrom_structural (f;;g)); auto.
+    Defined.
+  Instance Judgments_Category_binoidal : BinoidalCat Judgments_Category (@T_Branch (??Judgment)) :=
+    { bin_first  := jud_first
+    ; bin_second := jud_second }.
+
+  (* and that category is commutative (all morphisms central) *)
+  Instance Judgments_Category_Commutative : CommutativeCat Judgments_Category_binoidal.
+    apply Build_CommutativeCat.
+    intros; apply Build_CentralMorphism; intros; unfold eqv; simpl in *.
+    setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_comp (nd_id a) g f (nd_id d)).
+      setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_comp f (nd_id _) (nd_id _) g).
+      setoid_rewrite ndr_comp_left_identity.
+      setoid_rewrite ndr_comp_right_identity.
+      reflexivity.
+    setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_comp (nd_id _) f g (nd_id _)).
+      setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_comp g (nd_id _) (nd_id _) f).
+      setoid_rewrite ndr_comp_left_identity.
+      setoid_rewrite ndr_comp_right_identity.
+      reflexivity.
+      Defined.
+
+  (* Judgments form a premonoidal category *)
   Definition jud_assoc_iso (a b c:Judgments_Category) : @Isomorphic _ _ Judgments_Category ((a,,b),,c) (a,,(b,,c)).
-    refine
-    {| iso_forward  := nd_assoc
-     ; iso_backward := nd_cossa |};
-    abstract (simpl; auto).
+    refine {| iso_forward  := nd_assoc ; iso_backward := nd_cossa |}.
+    unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto.
+    unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto.
     Defined.
   Definition jud_cancelr_iso (a:Judgments_Category) : @Isomorphic _ _ Judgments_Category (a,,[]) a.
-    refine
-    {| iso_forward  := nd_cancelr
-     ; iso_backward := nd_rlecnac |};
-    abstract (simpl; auto).
+    refine {| iso_forward  := nd_cancelr ; iso_backward := nd_rlecnac |};
+    unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto.
     Defined.
   Definition jud_cancell_iso (a:Judgments_Category) : @Isomorphic _ _ Judgments_Category ([],,a) a.
-    refine
-    {| iso_forward  := nd_cancell
-     ; iso_backward := nd_llecnac |};
-    abstract (simpl; auto).
+    refine {| iso_forward  := nd_cancell ; iso_backward := nd_llecnac |};
+    unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto.
     Defined.
-
-  Definition jud_mon_cancelr : (func_rlecnac [] >>>> Judgments_Category_monoidal_endofunctor) <~~~> functor_id Judgments_Category.
-    refine {| ni_iso := fun x => jud_cancelr_iso x |}; intros; simpl.
-    abstract (setoid_rewrite (ndr_prod_right_identity f);
-              repeat setoid_rewrite ndr_comp_associativity;
-              apply ndr_comp_respects; try reflexivity;
-              symmetry;
-              eapply transitivity; [ idtac | apply ndr_comp_right_identity ];
-              apply ndr_comp_respects; try reflexivity; simpl; auto).
+  Instance jud_mon_cancelr : jud_first [] <~~~> functor_id Judgments_Category :=
+    { ni_iso := jud_cancelr_iso }.
+    intros; unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
     Defined.
-  Definition jud_mon_cancell : (func_llecnac [] >>>> Judgments_Category_monoidal_endofunctor) <~~~> functor_id Judgments_Category.
-    eapply Build_NaturalIsomorphism.
-    instantiate (1:=fun x => jud_cancell_iso x).
-    abstract (intros; simpl;
-              setoid_rewrite (ndr_prod_left_identity f);
-              repeat setoid_rewrite ndr_comp_associativity;
-              apply ndr_comp_respects; try reflexivity;
-              symmetry;
-              eapply transitivity; [ idtac | apply ndr_comp_right_identity ];
-              apply ndr_comp_respects; try reflexivity; simpl; auto).
+  Instance jud_mon_cancell : jud_second [] <~~~> functor_id Judgments_Category :=
+    { ni_iso := jud_cancell_iso }.
+    intros; unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
     Defined.
-  Definition jud_mon_assoc_iso : forall X, 
-      (((Judgments_Category_monoidal_endofunctor **** (functor_id _)) >>>>
-        Judgments_Category_monoidal_endofunctor) X) ≅
-       (func_cossa >>>> ((((functor_id _) **** Judgments_Category_monoidal_endofunctor) >>>>
-         Judgments_Category_monoidal_endofunctor))) X.
-    intros.
-    destruct X as [a c].
-    destruct a as [a b].
-    exact (jud_assoc_iso a b c).
+  Instance jud_mon_assoc : forall a b, a ⋊- >>>> - ⋉b <~~~> - ⋉b >>>> a ⋊- :=
+    { ni_iso := fun c => jud_assoc_iso a c b }.
+    intros; unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
     Defined.
-  Definition jud_mon_assoc   :
-    ((Judgments_Category_monoidal_endofunctor **** (functor_id _)) >>>> Judgments_Category_monoidal_endofunctor)
-    <~~~>
-    func_cossa >>>> ((((functor_id _) **** Judgments_Category_monoidal_endofunctor) >>>> Judgments_Category_monoidal_endofunctor)).
-    refine {| ni_iso := jud_mon_assoc_iso |}.
+  Instance jud_mon_assoc_rr : forall a b, - ⋉(a ⊗ b) <~~~> - ⋉a >>>> - ⋉b.
     intros.
-    unfold hom in *.
-    destruct A as [a1 a3]. destruct a1 as [a1 a2]. simpl in *.
-    destruct B as [b1 b3]. destruct b1 as [b1 b2]. simpl in *.
-    destruct f as [f1 f3]. destruct f1 as [f1 f2]. simpl in *.
-    unfold hom in *.
-    unfold ob in *.
-    unfold functor_fobj; unfold fmor; unfold functor_product_fobj; unfold Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj; simpl.
-    setoid_rewrite ndr_prod_associativity.
-    setoid_rewrite ndr_comp_associativity.
-    setoid_rewrite ndr_comp_associativity.
-    apply ndr_comp_respects; try reflexivity.
-    etransitivity.
-    symmetry.
-    apply ndr_comp_right_identity.
-    apply ndr_comp_respects; try reflexivity.
-    apply ndr_structural_indistinguishable; auto.
+    apply ni_inv.
+    refine {| ni_iso := fun c => (jud_assoc_iso _ _ _) |}.
+    intros; unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
     Defined.
-
-  Instance Judgments_Category_monoidal : MonoidalCat _ _ Judgments_Category_monoidal_endofunctor [ ] :=
-  { mon_cancelr := jud_mon_cancelr
-  ; mon_cancell := jud_mon_cancell
-  ; mon_assoc   := jud_mon_assoc   }.
-    abstract
-      (unfold functor_fobj; unfold fmor; unfold functor_product_fobj; unfold Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj; simpl;
-        apply Build_Pentagon; simpl; intros; apply ndr_structural_indistinguishable; auto).
-    abstract
-      (unfold functor_fobj; unfold fmor; unfold functor_product_fobj; unfold Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj; simpl;
-        apply Build_Triangle; simpl; intros; apply ndr_structural_indistinguishable; auto).
+  Instance jud_mon_assoc_ll : forall a b, (a ⊗ b) ⋊- <~~~> b ⋊- >>>> a ⋊- :=
+    { ni_iso := fun c => jud_assoc_iso _ _ _ }.
+    intros; unfold eqv; unfold comp; simpl; apply (ndr_builtfrom_structural f); auto.
     Defined.
-
-  Instance Judgments_Category_Terminal : Terminal Judgments_Category.
-    refine {| one := [] ; drop := nd_weak' ; drop_unique := _ |}.
+  Instance Judgments_Category_premonoidal : PreMonoidalCat Judgments_Category_binoidal [] :=
+  { pmon_cancelr  := jud_mon_cancelr
+  ; pmon_cancell  := jud_mon_cancell
+  ; pmon_assoc    := jud_mon_assoc
+  ; pmon_assoc_rr := jud_mon_assoc_rr
+  ; pmon_assoc_ll := jud_mon_assoc_ll
+  }.
+    unfold functor_fobj; unfold fmor; simpl;
+      apply Build_Pentagon; simpl; intros; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto 10.
+    unfold functor_fobj; unfold fmor; simpl;
+      apply Build_Triangle; simpl; intros; apply (ndr_builtfrom_structural nd_id0); auto 10.
+    intros; unfold eqv; simpl; auto; reflexivity.
+    intros; unfold eqv; simpl; auto; reflexivity.
+    intros; unfold eqv; simpl; apply Judgments_Category_Commutative.
+    intros; unfold eqv; simpl; apply Judgments_Category_Commutative.
+    intros; unfold eqv; simpl; apply Judgments_Category_Commutative.
+      Defined.
+
+  (* commutative premonoidal categories are monoidal *)
+  Instance Judgments_Category_monoidal : MonoidalCat Judgments_Category_premonoidal :=
+    { mon_commutative := Judgments_Category_Commutative }.
+
+  (* Judgments also happens to have a terminal object - the empty list of judgments *)
+  Instance Judgments_Category_Terminal : TerminalObject Judgments_Category [].
+    refine {| drop := nd_weak ; drop_unique := _ |}.
       abstract (intros; unfold eqv; simpl; apply ndr_void_proofs_irrelevant).
     Defined.
 
+  (* Judgments is also a diagonal category via nd_copy *)
   Instance Judgments_Category_Diagonal : DiagonalCat Judgments_Category_monoidal.
-    apply Build_DiagonalCat.
-    intros; unfold bin_obj; simpl; unfold hom; simpl; apply nd_copy.
-    Defined.
-
-  Instance Judgments_Category_CartesianCat : CartesianCat Judgments_Category_monoidal.
-    refine {| car_terminal := Judgments_Category_Terminal ; car_diagonal := Judgments_Category_Diagonal
-      ; car_one := iso_id [] |}
-      ; intros; unfold hom; simpl
-      ; unfold functor_fobj; unfold fmor; unfold functor_product_fobj; unfold Judgments_Category_monoidal_endofunctor_fobj; simpl.
-
-    apply ndr_structural_indistinguishable; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply nd_structural_copy; auto.
-    apply nd_structural_prod; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply weak'_structural.
-    apply nd_structural_id0; auto.
-    apply nd_structural_cancell; auto.
-
-    apply ndr_structural_indistinguishable; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply nd_structural_copy; auto.
-    apply nd_structural_prod; auto.
-    apply nd_structural_comp; auto.
-    apply weak'_structural.
-    apply nd_structural_id0; auto.
-    apply nd_structural_cancelr; auto.
+    intros.
+    refine {| copy := nd_copy |}; intros; simpl.
+    setoid_rewrite ndr_comp_associativity.
+      setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_copy f).
+      apply ndr_comp_respects; try reflexivity.
+      etransitivity.
+      symmetry.
+      apply ndr_prod_preserves_comp.
+      setoid_rewrite ndr_comp_left_identity.
+      setoid_rewrite ndr_comp_right_identity.
+      reflexivity.
+    setoid_rewrite ndr_comp_associativity.
+      setoid_rewrite <- (ndr_prod_preserves_copy f).
+      apply ndr_comp_respects; try reflexivity.
+      etransitivity.
+      symmetry.
+      apply ndr_prod_preserves_comp.
+      setoid_rewrite ndr_comp_left_identity.
+      setoid_rewrite ndr_comp_right_identity.
+      reflexivity.
+      Defined.
+
+  (* Judgments is a cartesian category: it has a terminal object, diagonal morphisms, and the right naturalities *) 
+  Instance Judgments_Category_CartesianCat : CartesianCat Judgments_Category_monoidal :=
+    { car_terminal := Judgments_Category_Terminal ; car_diagonal := Judgments_Category_Diagonal }.
+    intros; unfold eqv; simpl; symmetry; apply ndr_copy_then_weak_left.
+    intros; unfold eqv; simpl; symmetry; apply ndr_copy_then_weak_right.
     Defined.
 
-  (* Given some mapping "rep" that turns a (Tree ??T) intoto Judgment,
-   * this asserts that we have sensible structural rules with respect
-   * to that mapping.  Doing all of this "with respect to a mapping"
-   * lets us avoid duplicating code for both the antecedent and
-   * succedent of sequent deductions. *)
-  Class TreeStructuralRules  {T:Type}(rep:Tree ??T -> Judgment) :=
-  { tsr_eqv           : @ND_Relation Judgment Rule where "pf1 === pf2" := (@ndr_eqv _ _ tsr_eqv _ _ pf1 pf2)
-  ; tsr_ant_assoc     : forall {a b c}, Rule [rep ((a,,b),,c)]     [rep ((a,,(b,,c)))]
-  ; tsr_ant_cossa     : forall {a b c}, Rule [rep (a,,(b,,c))]     [rep (((a,,b),,c))]
-  ; tsr_ant_cancell   : forall {a    }, Rule [rep (  [],,a  )]     [rep (        a  )]
-  ; tsr_ant_cancelr   : forall {a    }, Rule [rep (a,,[]    )]     [rep (        a  )]
-  ; tsr_ant_llecnac   : forall {a    }, Rule [rep (      a  )]     [rep (  [],,a    )]
-  ; tsr_ant_rlecnac   : forall {a    }, Rule [rep (      a  )]     [rep (  a,,[]    )]
-  }.
-
-  Section Sequents.
-    Context {S:Type}.   (* type of sequent components *)
-    Context (sequent:S->S->Judgment).
-    Notation "a |= b" := (sequent a b).
-
-    Class SequentCalculus :=
-    { nd_seq_reflexive : forall a, ND Rule [ ] [ a |= a ]
-    }.
-    
-    Class CutRule :=
-    { nd_cutrule_seq       :> SequentCalculus
-    ; nd_cut               :  forall a b c,  [ a |= b ] ,, [ b |= c ] /⋯⋯/ [ a |= c ]
-    ; nd_cut_associativity :  forall {a b c d},
-      ((nd_cut a b c) ** (nd_id1 (c|=d))) ;; (nd_cut a c d)
-        ===
-        nd_assoc ;; ((nd_id1 (a|=b)) ** (nd_cut b c d) ;; (nd_cut a b d))
-    ; nd_cut_left_identity  : forall a b, ((    (nd_seq_reflexive a)**(nd_id _));; nd_cut _ _ b) === nd_cancell
-    ; nd_cut_right_identity : forall a b, (((nd_id _)**(nd_seq_reflexive a)    );; nd_cut b _ _) === nd_cancelr
-    }.
-  End Sequents.
-
-  (* Structure ExpressionAlgebra (sig:Signature) := *)
-
 End Judgments_Category.
 
 Close Scope pf_scope.