reader: tweaking markup
[lambda.git] / advanced_topics / monads_in_category_theory.mdwn
1
2
3 1. Monoids
4 ----------
5 A <monoid> is a structure consisting of an associative binary operation * over some set S, which is closed under *, and which contains an identity element z for *. That is:
6         for all s1,s2,s3 in S:
7         (i) s1*s2 etc are also in S
8         (ii) (s1*s2)*s3 = s1*(s2*s3)
9         (iii) z*s1 = s1 = s1*z
10
11 Some examples of monoids are:
12
13         (a) finite strings of an alphabet A, with * being concatenation and z being the empty string
14
15         (b) all functions X->X over a set X, with * being composition and z being the identity function over X
16
17         (c) the natural numbers with * being plus and z being 0 (in particular, this is a <commutative monoid>). If we use the integers, or the naturals mod n, instead of the naturals, then every element will have an inverse and so we have not merely a monoid but a <group>.)
18
19         (d) the natural numbers with * being multiplication and z being 1 constitute a different monoid over the same set as in (c).
20
21
22
23 2. Categories
24 -------------
25 A <category> is a generalization of a monoid. A category consists of a class of elements, and a class of <morphisms> between those elements. Morphisms are sometimes also called maps or arrows. They are something like functions (and as we'll see below, given a set of functions they'll determine a category). However, a given morphism only maps between a single source element and a single target element. Also, there can be multiple distinct morphisms between the same source and target, so the identity of a morphism goes beyond its "extension."
26
27 When a morphism f in category C has source c1 and target c2, we'll write f:c1->c2.
28
29 To have a category, the elements and morphisms have to satisfy some constraints:
30         (i) the class of morphisms has to be closed under composition: where f:c1->c2 and g:c2->c3, g o f is also a morphism of the category, which maps c1->c3.
31         (ii) composition of morphisms has to be associative
32         (iii) every element e of the category has to have an identity morphism id[e], which is such that for every morphism f:a->b:
33                 id[b] o f = f = f o id[a]
34
35 These parallel the constraints for monoids. Note that there can be multiple distinct morphisms between an element e and itself; they need not all be identity morphisms. Indeed from (iii) it follows that each element can have only a single identity morphism.
36
37
38 Some examples of categories are:
39
40         (a) any category whose elements are sets and whose morphisms are functions between those sets. Here the source and target of a function are its domain and range, so distinct functions sharing a domain and range (e.g., sin and cos) are distinct morphisms between the same source and target elements. The identity morphism for any element is the identity function over that set.
41
42         (b) any monoid (S,*,z) generates a category with a single element x; this x need not have any relation to S. The members of S play the role of *morphisms* of this category, rather than its elements. The result of composing the morphism consisting of s1 with the morphism s2 is the morphism s3, where s3=s1+s2. The identity morphism on the (single) category element x is the monoid's identity z.
43
44         (c) a <preorder> <= is a binary relation on a set S which is reflexive and transitive. It need not be connected (that is, there may be members x,y of S such that neither x<=y nor y<=x). It need not be anti-symmetric (that is, there may be members s1,s2 of S such that s1<=s2 and s2<=s1 but s1 and s2 are not identical).
45         Some examples:
46                 * sentences ordered by logical implication ("p and p" implies and is implied by "p", but these sentences are not identical).
47                 * sets ordered by size
48         Any pre-order (S,<=) generates a category whose elements are the members of S and which has only a single morphism between any two elements s1 and s2, iff s1<=s2.
49
50
51
52 3. Functors
53 -----------
54 A <functor> is a "homomorphism", that is, a structure-preserving mapping, between categories. In particular, a functor F from category C to category D must:
55         (i) associate with every element c1 of C an element F(c1) of D
56         (ii) associate with every morphism f:c1->c2 of C a morphism F(f):F(c1)->F(c2) of D
57         (iii) "preserve identity", that is, for every element c1 of C: F of c1's identity morphism in C must be the identity morphism of F(c1) in D:
58                 F(id[c1]) = id[F(c1)]. 
59         (iv) "distribute over composition", that is for any morphisms f and g in C:
60                 F(g o f) = F(g) o F(f)
61
62 A functor that maps a category to itself is called an <endofunctor>. The (endo)functor that maps every element and morphism of C to itself is denoted 1C.
63
64 How functors compose:
65 If F is a functor from category C to category D, and H is a functor from category D to category E, then HF is a functor which maps every element c1 of C to element H(F(c1)) of E, and maps every morphism f of C to morphism H(F(f)) of E.
66
67 I'll assert without proving that functor composition is associative.
68
69
70
71 4. Natural Transformation
72 -------------------------
73 So categories include elements and morphisms. Functors consist of mappings from the elements and morphisms of one category to those of another (or the same) category. <Natural transformations> are a third level of mappings, from one functor to another.
74
75 Where G and H are functors from category C to category D, a natural transformation eta between G and H is a family of morphisms eta[c1]:G(c1)->H(c1) in D for each element c1 of C. That is, eta[c1] has as source c1's image under G in D, and as target c1's image under H in D. The morphisms in this family must also satisfy the constraint:
76         for every morphism f:c1->c2 in C:
77         eta[c2] o G(f) = H(f) o eta[c1]
78
79 That is, the morphism via G(f) from G(c1) to G(c2), and then via eta[c2] to H(c2), is identical to the morphism from G(c1) via eta[c1] to H(c1), and then via H(f) from H(c1) to H(c2).
80
81
82 How natural transformations compose:
83
84 Consider four categories B,C,D, and E.
85 Let F be a functor from B to C; G,H, and J be functors from C to D; and K and L be functors from D to E. Let eta be a natural transformation from G to H; phi be a natural transformation from H to J; and psi be a natural transformation from K to L. Pictorally:
86
87 - B -+ +--- C --+ +---- D -----+ +-- E --
88      | |        | |            | |
89  F: ------> G: ------>     K: ------>
90      | |        | |  | eta     | |  | psi
91      | |        | |  v         | |  v
92      | |    H: ------>     L: ------>
93      | |        | |  | phi     | |
94      | |        | |  v         | |
95      | |    J: ------>         | |
96 -----+ +--------+ +------------+ +-------
97
98 (eta F) is a natural transformation from the (composite) functor GF to the composite functor HF, such that where b1 is an element of category B, (eta F)[b1] = eta[F(b1)]---that is, the morphism in D that eta assigns to the element F(b1) of C.
99
100 (K eta) is a natural transformation from the (composite) functor KG to the (composite) functor KH, such that where c1 is an element of category C, (K eta)[c1] = K(eta[c1])---that is, the morphism in E that K assigns to the morphism eta[c1] of D.
101
102
103 (phi -v- eta) is a natural transformation from G to J; this is known as a "vertical composition". We will rely later on this:
104         phi[c2] o H(f) o eta[c1] = phi[c2] o H(f) o eta[c1]
105                                -------------
106                 by naturalness of phi, is:
107                                --------------
108         phi[c2] o H(f) o eta[c1] = J(f) o phi[c1] o eta[c1]
109               --------------
110                 by naturalness of eta, is:
111                   --------------
112         phi[c2] o eta[c2] o G(f) = J(f) o phi[c1] o eta[c1]
113     -----------------                 -----------------
114 Hence, we can define (phi -v- eta)[c1] as: phi[c1] o eta[c1] and rely on it to satisfy the constraints for a natural transformation from G to J:
115     -----------------                 -----------------
116         (phi -v- eta)[c2] o G(f) = J(f) o (phi -v- eta)[c1]
117
118 I'll assert without proving that vertical composition is associative and has an identity, which we'll call "the identity transformation."
119
120
121 (psi -h- eta) is natural transformation from the (composite) functor KG to the (composite) functor LH; this is known as a "horizontal composition." It's trickier to define, but we won't be using it here. For reference:
122
123         (phi -h- eta)[c1]  =  L(eta[c1]) o psi[G(c1)]
124                                            =  psi[H(c1)] o K(eta[c1])
125
126 Horizontal composition is also associative, and has the same identity as vertical composition.
127
128
129
130 5. Monads
131 ---------
132 In earlier days, these were also called "triples."
133
134 A <monad> is a structure consisting of an (endo)functor M from some category C to itself, along with some natural transformations, which we'll specify in a moment.
135
136 Let T be a set of natural transformations p, each being between some (variable) functor P and another functor which is the composite MP' of M and a (variable) functor P'. That is, for each element c1 in C, p assigns c1 a morphism from element P(c1) to element MP'(c1), satisfying the constraints detailed in the previous section. For different members of T, the relevant functors may differ; that is, p is a transformation from functor P to MP', q is a transformation from functor Q to MQ', and none of P,P',Q,Q' need be the same.
137
138 One of the members of T will be designated the "unit" transformation for M, and it will be a transformation from the identity functor 1C on C to M(1C). So it will assign to c1 a morphism from c1 to M(c1).
139
140 We also need to designate for M a "join" transformation, which is a natural transformation from the (composite) functor MM to M.
141
142 These two natural transformations have to satisfy some constraints ("the monad laws") which are most easily stated if we can introduce a defined notion.
143
144 Let p and q be members of T, that is they are natural transformations from P to MP' and from Q to MQ', respectively. Let them be such that P' = Q. Now (M q) will also be a natural transformation, formed by composing the functor M with the natural transformation q. Similarly, (join Q') will be a natural transformation, formed by composing the natural transformation join with the functor Q'; it will transform the functor MMQ' to the functor MQ'. Now take the vertical composition of the three natural transformations (join Q'), (M q), and p, and abbreviate it as follows:
145
146         q <=< p  =def.  ((join Q') -v- (M q) -v- p)   --- since composition is associative I don't specify the order of composition on the rhs
147
148 In other words, <=< is a binary operator that takes us from two members p and q of T to a composite natural transformation. (In functional programming, at least, this is called the "Kleisli composition operator". Sometimes its written p >=> q where that's the same as q <=< p.)
149
150 p is a transformation from P to MP' which = MQ; (M q) is a transformation from MQ to MMQ'; and (join Q') is a transformation from MMQ' to MQ'. So the composite q <=< p will be a transformation from P to MQ', and so also eligible to be a member of T.
151
152 Now we can specify the "monad laws" governing a monad as follows:
153
154         (T, <=<, unit) constitute a monoid
155
156 That's it. In other words:
157
158         for all p,q,r in T:
159         (i) q <=< p etc are also in T
160         (ii) (r <=< q) <=< p  =  r <=< (q <=< p)
161         (iii.1) (unit P') <=< p  =  p
162         (iii.2)                p  =  p <=< (unit P)
163
164 A word about the P' and P in (iii.1) and (iii.2): since unit on its own is a transformation from 1C to M(1C), it doesn't have the appropriate "type" for unit <=< p or p <=< unit to be defined, for arbitrary p. However, if p is a transformation from P to MP', then (unit P') <=< p and p <=< (unit P) will both be defined.
165
166
167
168 6. The standard category-theory presentation of the monad laws
169 --------------------------------------------------------------
170 In category theory, the monad laws are usually stated in terms of unit and join instead of unit and <=<.
171
172 (*
173         P2. every element c1 of a category C has an identity morphism id[c1] such that for every morphism f:c1->c2 in C: id[c2] o f = f = f o id[c1].
174         P3. functors "preserve identity", that is for every element c1 in F's source category: F(id[c1]) = id[F(c1)].
175 *)
176
177 Let's remind ourselves of some principles:
178         * composition of morphisms, functors, and natural compositions is associative
179         * functors "distribute over composition", that is for any morphisms f and g in F's source category: F(g o f) = F(g) o F(f)
180         * if eta is a natural transformation from F to G, then for every f:c1->c2 in F and G's source category C: eta[c2] o F(f) = G(f) o eta[c1].
181
182
183 Let's use the definitions of naturalness, and of composition of natural transformations, to establish two lemmas.
184
185
186 Recall that join is a natural transformation from the (composite) functor MM to M. So for elements c1 in C, join[c1] will be a morphism from MM(c1) to M(c1). And for any morphism f:a->b in C:
187
188         (1) join[b] o MM(f)  =  M(f) o join[a]
189
190 Next, consider the composite transformation ((join MQ') -v- (MM q)).
191         q is a transformation from Q to MQ', and assigns elements c1 in C a morphism q*: Q(c1) -> MQ'(c1). (MM q) is a transformation that instead assigns c1 the morphism MM(q*).
192         (join MQ') is a transformation from MMMQ' to MMQ' that assigns c1 the morphism join[MQ'(c1)].
193         Composing them:
194         (2) ((join MQ') -v- (MM q)) assigns to c1 the morphism join[MQ'(c1)] o MM(q*).
195
196 Next, consider the composite transformation ((M q) -v- (join Q)).
197         (3) This assigns to c1 the morphism M(q*) o join[Q(c1)].
198
199 So for every element c1 of C:
200         ((join MQ') -v- (MM q))[c1], by (2) is:
201         join[MQ'(c1)] o MM(q*), which by (1), with f=q*: Q(c1)->MQ'(c1) is:
202         M(q*) o join[Q(c1)], which by 3 is:
203         ((M q) -v- (join Q))[c1]
204
205 So our (lemma 1) is: ((join MQ') -v- (MM q))  =  ((M q) -v- (join Q)), where q is a transformation from Q to MQ'.
206
207
208 Next recall that unit is a natural transformation from 1C to M. So for elements c1 in C, unit[c1] will be a morphism from c1 to M(c1). And for any morphism f:a->b in C:
209         (4) unit[b] o f = M(f) o unit[a]
210
211 Next consider the composite transformation ((M q) -v- (unit Q)). (5) This assigns to c1 the morphism M(q*) o unit[Q(c1)].
212
213 Next consider the composite transformation ((unit MQ') -v- q). (6) This assigns to c1 the morphism unit[MQ'(c1)] o q*.
214
215 So for every element c1 of C:
216         ((M q) -v- (unit Q))[c1], by (5) =
217         M(q*) o unit[Q(c1)], which by (4), with f=q*: Q(c1)->MQ'(c1) is:
218         unit[MQ'(c1)] o q*, which by (6) =
219         ((unit MQ') -v- q)[c1]
220
221 So our lemma (2) is: (((M q) -v- (unit Q))  =  ((unit MQ') -v- q)), where q is a transformation from Q to MQ'.
222
223
224 Finally, we substitute ((join Q') -v- (M q) -v- p) for q <=< p in the monad laws. For simplicity, I'll omit the "-v-".
225
226         for all p,q,r in T, where p is a transformation from P to MP', q is a transformation from Q to MQ', R is a transformation from R to MR', and P'=Q and Q'=R:
227
228         (i) q <=< p etc are also in T
229         ==>
230         (i') ((join Q') (M q) p) etc are also in T
231
232
233         (ii) (r <=< q) <=< p  =  r <=< (q <=< p)
234         ==>
235                  (r <=< q) is a transformation from Q to MR', so:
236                         (r <=< q) <=< p becomes: (join R') (M (r <=< q)) p
237                                                         which is: (join R') (M ((join R') (M r) q)) p
238                         substituting in (ii), and helping ourselves to associativity on the rhs, we get:
239
240              ((join R') (M ((join R') (M r) q)) p) = ((join R') (M r) (join Q') (M q) p)
241                      ---------------------
242                         which by the distributivity of functors over composition, and helping ourselves to associativity on the lhs, yields:
243                     ------------------------
244              ((join R') (M join R') (MM r) (M q) p) = ((join R') (M r) (join Q') (M q) p)
245                                                              ---------------
246                         which by lemma 1, with r a transformation from Q' to MR', yields:
247                                                              -----------------
248              ((join R') (M join R') (MM r) (M q) p) = ((join R') (join MR') (MM r) (M q) p)
249
250                         which will be true for all r,q,p just in case:
251
252               ((join R') (M join R')) = ((join R') (join MR')), for any R'.
253
254                         which will in turn be true just in case:
255
256         (ii') (join (M join)) = (join (join M))
257
258
259         (iii.1) (unit P') <=< p  =  p
260         ==>
261                         (unit P') is a transformation from P' to MP', so:
262                                 (unit P') <=< p becomes: (join P') (M unit P') p
263                                                    which is: (join P') (M unit P') p
264                                 substituting in (iii.1), we get:
265                         ((join P') (M unit P') p) = p
266
267                         which will be true for all p just in case:
268
269                  ((join P') (M unit P')) = the identity transformation, for any P'
270
271                         which will in turn be true just in case:
272
273         (iii.1') (join (M unit) = the identity transformation
274
275
276         (iii.2) p  =  p <=< (unit P)
277         ==>
278                         p is a transformation from P to MP', so:
279                                 unit <=< p becomes: (join P') (M p) unit
280                                 substituting in (iii.2), we get:
281                         p = ((join P') (M p) (unit P))
282                                                    --------------
283                                 which by lemma (2), yields:
284                             ------------
285                         p = ((join P') ((unit MP') p)
286
287                                 which will be true for all p just in case:
288
289                 ((join P') (unit MP')) = the identity transformation, for any P'
290
291                                 which will in turn be true just in case:
292
293         (iii.2') (join (unit M)) = the identity transformation
294
295
296 Collecting the results, our monad laws turn out in this format to be:
297         
298         when p a transformation from P to MP', q a transformation from P' to MQ', r a transformation from Q' to MR' all in T:
299
300         (i') ((join Q') (M q) p) etc also in T
301
302         (ii') (join (M join)) = (join (join M))
303                 
304         (iii.1') (join (M unit)) = the identity transformation
305
306         (iii.2')(join (unit M)) = the identity transformation
307
308
309
310 7. The functional programming presentation of the monad laws
311 ------------------------------------------------------------
312 In functional programming, unit is usually called "return" and the monad laws are usually stated in terms of return and an operation called "bind" which is interdefinable with <=< or with join.
313
314 Additionally, whereas in category-theory one works "monomorphically", in functional programming one usually works with "polymorphic" functions.
315
316 The base category C will have types as elements, and monadic functions as its morphisms. The source and target of a morphism will be the types of its argument and its result. (As always, there can be multiple distinct morphisms from the same source to the same target.)
317
318 A monad M will consist of a mapping from types c1 to types M(c1), and a mapping from functions f:c1->c2 to functions M(f):M(c1)->M(c2). This is also known as "fmap f" or "liftM f" for M, and is called "function f lifted into the monad M." For example, where M is the list monad, M maps every type X into the type "list of Xs", and maps every function f:x->y into the function that maps [x1,x2...] to [y1,y2,...].
319
320
321
322
323 A natural transformation t assigns to each type c1 in C a morphism t[c1]: c1->M(c1) such that, for every f:c1->c2:
324         t[c2] o f = M(f) o t[c1]
325
326 The composite morphisms said here to be identical are morphisms from the type c1 to the type M(c2).
327
328
329
330 In functional programming, instead of working with natural transformations we work with "monadic values" and polymorphic functions "into the monad" in question.
331
332 For an example of the latter, let p be a function that takes arguments of some (schematic, polymorphic) type c1 and yields results of some (schematic, polymorphic) type M(c2). An example with M being the list monad, and c2 being the tuple type schema int * c1:
333         
334         let p = fun c -> [(1,c), (2,c)]
335
336 p is polymorphic: when you apply it to the int 0 you get a result of type "list of int * int": [(1,0), (2,0)]. When you apply it to the char 'e' you get a result of type "list of int * char": [(1,'e'), (2,'e')].
337
338 However, to keep things simple, we'll work instead with functions whose type is settled. So instead of the polymorphic p, we'll work with (p : c1 -> M(int * c1)). This only accepts arguments of type c1. For generality, I'll talk of functions with the type (p : c1 -> M(c1')), where we assume that c1' is a function of c1.
339
340 A "monadic value" is any member of a type M(c1), for any type c1. For example, a list is a monadic value for the list monad. We can think of these monadic values as the result of applying some function (p : c1 -> M(c1')) to an argument of type c1.
341
342