clean up hints for NaturalDeduction, split ProgrammingLanguage into multiple files
[coq-hetmet.git] / src / NaturalDeductionCategory.v
index ef3119f..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                                                                                    *)
 (*                                                                                                                               *)
 (*********************************************************************************************************************************)
 
@@ -14,14 +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.
@@ -33,15 +35,10 @@ Section Judgments_Category.
   Context {Rule     : forall (hypotheses:Tree ??Judgment)(conclusion:Tree ??Judgment), Type}.
   Context (nd_eqv   : @ND_Relation Judgment Rule).
 
-  (* actually you can use any type as the objects, so long as you give a mapping from that type to judgments *)
-  Context {Ob       : Type}.
-  Context (ob2judgment : Ob -> Judgment).
-  Coercion ob2judgment : Ob >-> Judgment.
-
   Notation "pf1 === pf2" := (@ndr_eqv _ _ nd_eqv _ _ pf1 pf2).
 
-  Instance Judgments_Category
-    : Category (Tree ??Ob) (fun h c => (mapOptionTree ob2judgment h) /⋯⋯/ (mapOptionTree ob2judgment c)) :=
+  (* 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
   ; eqv  := fun a b f g    => f === g
@@ -51,130 +48,144 @@ 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 =>
-     match xy with
-     | pair_obj x y => T_Branch x y
-     end).
-  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.
-     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)).
-    apply (@Build_Isomorphic _ _ Judgments_Category _ _
-      (@nd_assoc _ Rule  (mapOptionTree ob2judgment a) (mapOptionTree ob2judgment b) (mapOptionTree ob2judgment c)
-        : (a,, b),, c ~~{Judgments_Category}~~> a,, (b,, c))
-      (@nd_cossa _ Rule  (mapOptionTree ob2judgment a) (mapOptionTree ob2judgment b) (mapOptionTree ob2judgment c)
-        : a,, (b,, c) ~~{Judgments_Category}~~> (a,, b),, c)); 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.
-    apply (@Build_Isomorphic _ _ Judgments_Category _ _
-      (@nd_cancelr _ Rule (mapOptionTree ob2judgment a) : a,,[] ~~{Judgments_Category}~~> a)
-      (@nd_rlecnac _ Rule (mapOptionTree ob2judgment a) : a     ~~{Judgments_Category}~~> a,,[])); 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.
-    apply (@Build_Isomorphic _ _ Judgments_Category _ _
-      (@nd_cancell _ Rule (mapOptionTree ob2judgment a) : [],,a ~~{Judgments_Category}~~> a)
-      (@nd_llecnac _ Rule (mapOptionTree ob2judgment a) : a     ~~{Judgments_Category}~~> [],,a)); 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.
-    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).
-    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].
-    apply (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.
-    destruct A as [a1 a3]. destruct a1 as [a1 a2].
-    destruct B as [b1 b3]. destruct b1 as [b1 b2].
-    destruct f as [f1 f3]. destruct f1 as [f1 f2].
-    simpl.
-    setoid_rewrite ndr_prod_associativity.
-    setoid_rewrite ndr_comp_associativity.
-    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.
+    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   }.
-    apply Build_Pentagon; simpl; intros; apply ndr_structural_indistinguishable; auto.
-    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_CartesianCat : CartesianCat Judgments_Category_monoidal.
-    admit.
-    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,,[]    )]
+  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.
 
-
-  (* Structure ExpressionAlgebra (sig:Signature) := *)
+  (* Judgments is also a diagonal category via nd_copy *)
+  Instance Judgments_Category_Diagonal : DiagonalCat Judgments_Category_monoidal.
+    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.
 
 End Judgments_Category.