add Unreliable Guide OCaml Modules
[lambda.git] / advanced_topics / monads_in_category_theory.mdwn
diff --git a/advanced_topics/monads_in_category_theory.mdwn b/advanced_topics/monads_in_category_theory.mdwn
deleted file mode 100644 (file)
index 173160e..0000000
+++ /dev/null
@@ -1,610 +0,0 @@
-Caveats
--------
-I really don't know much category theory. Just enough to put this
-together. Also, this really is "put together." I haven't yet found an
-authoritative source (that's accessible to a category theory beginner like
-myself) that discusses the correspondence between the category-theoretic and
-functional programming uses of these notions in enough detail to be sure that
-none of the pieces here is mistaken.
-In particular, it wasn't completely obvious how to map the polymorphism on the
-programming theory side into the category theory. The way I accomplished this
-may be more complex than it needs to be.
-Also I'm bothered by the fact that our `<=<` operation is only partly defined
-on our domain of natural transformations.
-There are three additional points below that I wonder whether may be too
-cavalier.
-But all considered, this does seem to
-me to be a reasonable way to put the pieces together. We very much welcome
-feedback from anyone who understands these issues better, and will make
-corrections.
-
-
-Monoids
--------
-A **monoid** is a structure <code>(S,&#8902;,z)</code> consisting of an associative binary operation <code>&#8902;</code> over some set `S`, which is closed under <code>&#8902;</code>, and which contains an identity element `z` for <code>&#8902;</code>. That is:
-
-
-<pre>
-       for all s1, s2, s3 in S:
-         (i) s1&#8902;s2 etc are also in S
-        (ii) (s1&#8902;s2)&#8902;s3 = s1&#8902;(s2&#8902;s3)
-       (iii) z&#8902;s1 = s1 = s1&#8902;z
-</pre>
-
-Some examples of monoids are:
-
-*      finite strings of an alphabet `A`, with <code>&#8902;</code> being concatenation and `z` being the empty string
-*      all functions <code>X&rarr;X</code> over a set `X`, with <code>&#8902;</code> being composition and `z` being the identity function over `X`
-*      the natural numbers with <code>&#8902;</code> 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**.
-*      if we let <code>&#8902;</code> be multiplication and `z` be 1, we get different monoids over the same sets as in the previous item.
-
-Categories
-----------
-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 single 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."
-
-When a morphism `f` in category <b>C</b> has source `C1` and target `C2`, we'll write <code>f:C1&rarr;C2</code>.
-
-To have a category, the elements and morphisms have to satisfy some constraints:
-
-<pre>
-         (i) the class of morphisms has to be closed under composition:
-             where f:C1&rarr;C2 and g:C2&rarr;C3, g &#8728; f is also a
-             morphism of the category, which maps C1&rarr;C3.
-
-        (ii) composition of morphisms has to be associative
-
-       (iii) every element X of the category has to have an identity
-             morphism 1<sub>X</sub>, which is such that for every morphism f:C1&rarr;C2:
-             1<sub>C2</sub> &#8728; f = f = f &#8728; 1<sub>C1</sub>
-</pre>
-
-These parallel the constraints for monoids. Note that there can be multiple distinct morphisms between an element `X` and itself; they need not all be identity morphisms. Indeed from (iii) it follows that each element can have only a single identity morphism.
-
-A good intuitive picture of a category is as a generalized directed graph, where the category elements are the graph's nodes, and there can be multiple directed edges between a given pair of nodes, and nodes can also have multiple directed edges to themselves. Morphisms correspond to directed paths of length &ge; 0 in the graph.
-
-
-Some examples of categories are:
-
-*      Categories 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/set is just the identity function for that set.
-
-*      any monoid <code>(S,&#8902;,z)</code> generates a category with a single element `Q`; this `Q` need not have any relation to `S`. The members of `S` play the role of *morphisms* of this category, rather than its elements. All of these morphisms are understood to map `Q` to itself. The result of composing the morphism consisting of `s1` with the morphism `s2` is the morphism `s3`, where <code>s3=s1&#8902;s2</code>. The identity morphism for the (single) category element `Q` is the monoid's identity `z`.
-
-*      a **preorder** is a structure <code>(S, &le;)</code> consisting of a reflexive, transitive, binary relation on a set `S`. It need not be connected (that is, there may be members `s1`,`s2` of `S` such that neither <code>s1 &le; s2</code> nor <code>s2 &le; s1</code>). It need not be anti-symmetric (that is, there may be members `s1`,`s2` of `S` such that <code>s1 &le; s2</code> and <code>s2 &le; s1</code> but `s1` and `s2` are not identical). Some examples:
-
-       *       sentences ordered by logical implication ("p and p" implies and is implied by "p", but these sentences are not identical; so this illustrates a pre-order without anti-symmetry)
-       *       sets ordered by size (this illustrates it too)
-
-       Any pre-order <code>(S,&le;)</code> 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 <code>s1 &le; s2</code>.
-
-
-Functors
---------
-A **functor** is a "homomorphism", that is, a structure-preserving mapping, between categories. In particular, a functor `F` from category <b>C</b> to category <b>D</b> must:
-
-<pre>
-         (i) associate with every element C1 of <b>C</b> an element F(C1) of <b>D</b>
-
-        (ii) associate with every morphism f:C1&rarr;C2 of <b>C</b> a morphism F(f):F(C1)&rarr;F(C2) of <b>D</b>
-
-       (iii) "preserve identity", that is, for every element C1 of <b>C</b>:
-             F of C1's identity morphism in <b>C</b> must be the identity morphism of F(C1) in <b>D</b>:
-             F(1<sub>C1</sub>) = 1<sub>F(C1)</sub>.
-
-        (iv) "distribute over composition", that is for any morphisms f and g in <b>C</b>:
-             F(g &#8728; f) = F(g) &#8728; F(f)
-</pre>
-
-A functor that maps a category to itself is called an **endofunctor**. The (endo)functor that maps every element and morphism of <b>C</b> to itself is denoted `1C`.
-
-How functors compose: If `G` is a functor from category <b>C</b> to category <b>D</b>, and `K` is a functor from category <b>D</b> to category <b>E</b>, then `KG` is a functor which maps every element `C1` of <b>C</b> to element `K(G(C1))` of <b>E</b>, and maps every morphism `f` of <b>C</b> to morphism `K(G(f))` of <b>E</b>.
-
-I'll assert without proving that functor composition is associative.
-
-
-
-Natural Transformation
-----------------------
-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.
-
-Where `G` and `H` are functors from category <b>C</b> to category <b>D</b>, a natural transformation &eta; between `G` and `H` is a family of morphisms <code>&eta;[C1]:G(C1)&rarr;H(C1)</code> in <b>D</b> for each element `C1` of <b>C</b>. That is, <code>&eta;[C1]</code> has as source `C1`'s image under `G` in <b>D</b>, and as target `C1`'s image under `H` in <b>D</b>. The morphisms in this family must also satisfy the constraint:
-
-<pre>
-       for every morphism f:C1&rarr;C2 in <b>C</b>:
-       &eta;[C2] &#8728; G(f) = H(f) &#8728; &eta;[C1]
-</pre>
-
-That is, the morphism via `G(f)` from `G(C1)` to `G(C2)`, and then via <code>&eta;[C2]</code> to `H(C2)`, is identical to the morphism from `G(C1)` via <code>&eta;[C1]</code> to `H(C1)`, and then via `H(f)` from `H(C1)` to `H(C2)`.
-
-
-How natural transformations compose:
-
-Consider four categories <b>B</b>, <b>C</b>, <b>D</b>, and <b>E</b>. Let `F` be a functor from <b>B</b> to <b>C</b>; `G`, `H`, and `J` be functors from <b>C</b> to <b>D</b>; and `K` and `L` be functors from <b>D</b> to <b>E</b>. 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:
-
-<pre>
-       - <b>B</b> -+ +--- <b>C</b> --+ +---- <b>D</b> -----+ +-- <b>E</b> --
-                | |        | |            | |
-        F: ------> G: ------>     K: ------>
-                | |        | |  | &eta;       | |  | &psi;
-                | |        | |  v         | |  v
-                | |    H: ------>     L: ------>
-                | |        | |  | &phi;       | |
-                | |        | |  v         | |
-                | |    J: ------>         | |
-       -----+ +--------+ +------------+ +-------
-</pre>
-
-Then <code>(&eta; F)</code> is a natural transformation from the (composite) functor `GF` to the composite functor `HF`, such that where `B1` is an element of category <b>B</b>, <code>(&eta; F)[B1] = &eta;[F(B1)]</code>---that is, the morphism in <b>D</b> that <code>&eta;</code> assigns to the element `F(B1)` of <b>C</b>.
-
-And <code>(K &eta;)</code> is a natural transformation from the (composite) functor `KG` to the (composite) functor `KH`, such that where `C1` is an element of category <b>C</b>, <code>(K &eta;)[C1] = K(&eta;[C1])</code>---that is, the morphism in <b>E</b> that `K` assigns to the morphism <code>&eta;[C1]</code> of <b>D</b>.
-
-
-<code>(&phi; -v- &eta;)</code> is a natural transformation from `G` to `J`; this is known as a "vertical composition". For any morphism <code>f:C1&rarr;C2</code> in <b>C</b>:
-
-<pre>
-       &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1] = &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1]
-</pre>
-
-by naturalness of <code>&phi;</code>, is:
-
-<pre>
-       &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1] = J(f) &#8728; &phi;[C1] &#8728; &eta;[C1]
-</pre>
-
-by naturalness of <code>&eta;</code>, is:
-
-<pre>
-       &phi;[C2] &#8728; &eta;[C2] &#8728; G(f) = J(f) &#8728; &phi;[C1] &#8728; &eta;[C1]
-</pre>
-
-Hence, we can define <code>(&phi; -v- &eta;)[\_]</code> as: <code>&phi;[\_] &#8728; &eta;[\_]</code> and rely on it to satisfy the constraints for a natural transformation from `G` to `J`:
-
-<pre>
-       (&phi; -v- &eta;)[C2] &#8728; G(f) = J(f) &#8728; (&phi; -v- &eta;)[C1]
-</pre>
-
-An observation we'll rely on later: given the definitions of vertical composition and of how natural transformations compose with functors, it follows that:
-
-<pre>
-       ((&phi; -v- &eta;) F) = ((&phi; F) -v- (&eta; F))
-</pre>
-
-I'll assert without proving that vertical composition is associative and has an identity, which we'll call "the identity transformation."
-
-
-<code>(&psi; -h- &eta;)</code> 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:
-
-<pre>
-       (&phi; -h- &eta;)[C1]  =  L(&eta;[C1]) &#8728; &psi;[G(C1)]
-                                  =  &psi;[H(C1)] &#8728; K(&eta;[C1])
-</pre>
-
-Horizontal composition is also associative, and has the same identity as vertical composition.
-
-
-
-Monads
-------
-In earlier days, these were also called "triples."
-
-A **monad** is a structure consisting of an (endo)functor `M` from some category <b>C</b> to itself, along with some natural transformations, which we'll specify in a moment.
-
-Let `T` be a set of natural transformations <code>&phi;</code>, each being between some arbitrary endofunctor `F` on <b>C</b> and another functor which is the composite `MF'` of `M` and another arbitrary endofunctor `F'` on <b>C</b>. That is, for each element `C1` in <b>C</b>, <code>&phi;</code> assigns `C1` a morphism from element `F(C1)` to element `MF'(C1)`, satisfying the constraints detailed in the previous section. For different members of `T`, the relevant functors may differ; that is, <code>&phi;</code> is a transformation from functor `F` to `MF'`, <code>&gamma;</code> is a transformation from functor `G` to `MG'`, and none of `F`, `F'`, `G`, `G'` need be the same.
-
-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` for <b>C</b> to `M(1C)`. So it will assign to `C1` a morphism from `C1` to `M(C1)`.
-
-We also need to designate for `M` a `join` transformation, which is a natural transformation from the (composite) functor `MM` to `M`.
-
-These two natural transformations have to satisfy some constraints ("the monad laws") which are most easily stated if we can introduce a defined notion.
-
-Let <code>&phi;</code> and <code>&gamma;</code> be members of `T`, that is they are natural transformations from `F` to `MF'` and from `G` to `MG'`, respectively. Let them be such that `F' = G`. Now <code>(M &gamma;)</code> will also be a natural transformation, formed by composing the functor `M` with the natural transformation <code>&gamma;</code>. Similarly, `(join G')` will be a natural transformation, formed by composing the natural transformation `join` with the functor `G'`; it will transform the functor `MMG'` to the functor `MG'`. Now take the vertical composition of the three natural transformations `(join G')`, <code>(M &gamma;)</code>, and <code>&phi;</code>, and abbreviate it as follows. Since composition is associative I don't specify the order of composition on the rhs.
-
-<pre>
-       &gamma; <=< &phi;  =def.  ((join G') -v- (M &gamma;) -v- &phi;)
-</pre>
-
-In other words, `<=<` is a binary operator that takes us from two members <code>&phi;</code> and <code>&gamma;</code> of `T` to a composite natural transformation. (In functional programming, at least, this is called the "Kleisli composition operator". Sometimes it's written <code>&phi; >=> &gamma;</code> where that's the same as <code>&gamma; &lt;=&lt; &phi;</code>.)
-
-<code>&phi;</code> is a transformation from `F` to `MF'`, where the latter = `MG`; <code>(M &gamma;)</code> is a transformation from `MG` to `MMG'`; and `(join G')` is a transformation from `MMG'` to `MG'`. So the composite <code>&gamma; &lt;=&lt; &phi;</code> will be a transformation from `F` to `MG'`, and so also eligible to be a member of `T`.
-
-Now we can specify the "monad laws" governing a monad as follows:
-
-<pre>  
-       (T, <=<, unit) constitute a monoid
-</pre>
-
-That's it. Well, there may be a wrinkle here. I don't know whether the definition of a monoid requires the operation to be defined for every pair in its set. In the present case, <code>&gamma; &lt;=&lt; &phi;</code> isn't fully defined on `T`, but only when <code>&phi;</code> is a transformation to some `MF'` and <code>&gamma;</code> is a transformation from `F'`. But wherever `<=<` is defined, the monoid laws must hold:
-
-<pre>
-           (i) &gamma; <=< &phi; is also in T
-
-          (ii) (&rho; <=< &gamma;) <=< &phi;  =  &rho; <=< (&gamma; <=< &phi;)
-
-       (iii.1) unit <=< &phi;  =  &phi;
-               (here &phi; has to be a natural transformation to M(1C))
-
-       (iii.2)                &rho;  =  &rho; <=< unit
-               (here &rho; has to be a natural transformation from 1C)
-</pre>
-
-If <code>&phi;</code> is a natural transformation from `F` to `M(1C)` and <code>&gamma;</code> is <code>(&phi; G')</code>, that is, a natural transformation from `FG'` to `MG'`, then we can extend (iii.1) as follows:
-
-<pre>
-       &gamma; = (&phi; G')
-         = ((unit <=< &phi;) G')
-         since unit is a natural transformation to M(1C), this is:
-         = (((join 1C) -v- (M unit) -v- &phi;) G')
-         = (((join 1C) G') -v- ((M unit) G') -v- (&phi; G'))
-         = ((join (1C G')) -v- (M (unit G')) -v- &gamma;)
-         = ((join G') -v- (M (unit G')) -v- &gamma;)
-         since (unit G') is a natural transformation to MG', this is:
-         = (unit G') <=< &gamma;
-</pre>
-
-where as we said <code>&gamma;</code> is a natural transformation from some `FG'` to `MG'`.
-
-Similarly, if <code>&rho;</code> is a natural transformation from `1C` to `MR'`, and <code>&gamma;</code> is <code>(&rho; G)</code>, that is, a natural transformation from `G` to `MR'G`, then we can extend (iii.2) as follows:
-
-<pre>
-       &gamma; = (&rho; G)
-         = ((&rho; <=< unit) G)
-         = since &rho; is a natural transformation to MR', this is:
-         = (((join R') -v- (M &rho;) -v- unit) G)
-         = (((join R') G) -v- ((M &rho;) G) -v- (unit G))
-         = ((join (R'G)) -v- (M (&rho; G)) -v- (unit G))
-         since &gamma; = (&rho; G) is a natural transformation to MR'G, this is:
-         = &gamma; <=< (unit G)
-</pre>
-
-where as we said <code>&gamma;</code> is a natural transformation from `G` to some `MR'G`.
-
-Summarizing then, the monad laws can be expressed as:
-
-<pre>
-       For all &rho;, &gamma;, &phi; in T for which &rho; <=< &gamma; and &gamma; <=< &phi; are defined:
-
-           (i) &gamma; <=< &phi; etc are also in T
-
-          (ii) (&rho; <=< &gamma;) <=< &phi;  =  &rho; <=< (&gamma; <=< &phi;)
-
-       (iii.1) (unit G') <=< &gamma;  =  &gamma;
-               whenever &gamma; is a natural transformation from some FG' to MG'
-
-       (iii.2)                     &gamma;  =  &gamma; <=< (unit G)
-               whenever &gamma; is a natural transformation from G to some MR'G
-</pre>
-
-
-
-Getting to the standard category-theory presentation of the monad laws
-----------------------------------------------------------------------
-In category theory, the monad laws are usually stated in terms of `unit` and `join` instead of `unit` and `<=<`.
-
-<!--
-       P2. every element C1 of a category <b>C</b> has an identity morphism 1<sub>C1</sub> such that for every morphism f:C1&rarr;C2 in <b>C</b>: 1<sub>C2</sub> &#8728; f = f = f &#8728; 1<sub>C1</sub>.
-       P3. functors "preserve identity", that is for every element C1 in F's source category: F(1<sub>C1</sub>) = 1<sub>F(C1)</sub>.
--->
-
-Let's remind ourselves of principles stated above:
-
-*      composition of morphisms, functors, and natural compositions is associative
-
-*      functors "distribute over composition", that is for any morphisms `f` and `g` in `F`'s source category: <code>F(g &#8728; f) = F(g) &#8728; F(f)</code>
-
-*      if <code>&eta;</code> is a natural transformation from `G` to `H`, then for every <code>f:C1&rarr;C2</code> in `G` and `H`'s source category <b>C</b>: <code>&eta;[C2] &#8728; G(f) = H(f) &#8728; &eta;[C1]</code>.
-
-*      <code>(&eta; F)[X] = &eta;[F(X)]</code> 
-
-*      <code>(K &eta;)[X] = K(&eta;[X])</code>
-
-*      <code>((&phi; -v- &eta;) F) = ((&phi; F) -v- (&eta; F))</code>
-
-Let's use the definitions of naturalness, and of composition of natural transformations, to establish two lemmas.
-
-
-Recall that `join` is a natural transformation from the (composite) functor `MM` to `M`. So for elements `C1` in <b>C</b>, `join[C1]` will be a morphism from `MM(C1)` to `M(C1)`. And for any morphism <code>f:C1&rarr;C2</code> in <b>C</b>:
-
-<pre>
-       (1) join[C2] &#8728; MM(f)  =  M(f) &#8728; join[C1]
-</pre>
-
-Next, let <code>&gamma;</code> be a transformation from `G` to `MG'`, and
- consider the composite transformation <code>((join MG') -v- (MM &gamma;))</code>.
-
-*      <code>&gamma;</code> assigns elements `C1` in <b>C</b> a morphism <code>&gamma;\*:G(C1) &rarr; MG'(C1)</code>. <code>(MM &gamma;)</code> is a transformation that instead assigns `C1` the morphism <code>MM(&gamma;\*)</code>.
-
-*      `(join MG')` is a transformation from `MM(MG')` to `M(MG')` that assigns `C1` the morphism `join[MG'(C1)]`.
-
-Composing them:
-
-<pre>
-       (2) ((join MG') -v- (MM &gamma;)) assigns to C1 the morphism join[MG'(C1)] &#8728; MM(&gamma;*).
-</pre>
-
-Next, consider the composite transformation <code>((M &gamma;) -v- (join G))</code>:
-
-<pre>
-       (3) ((M &gamma;) -v- (join G)) assigns to C1 the morphism M(&gamma;*) &#8728; join[G(C1)].
-</pre>
-
-So for every element `C1` of <b>C</b>:
-
-<pre>
-       ((join MG') -v- (MM &gamma;))[C1], by (2) is:
-       join[MG'(C1)] &#8728; MM(&gamma;*), which by (1), with f=&gamma;*:G(C1)&rarr;MG'(C1) is:
-       M(&gamma;*) &#8728; join[G(C1)], which by 3 is:
-       ((M &gamma;) -v- (join G))[C1]
-</pre>
-
-So our **(lemma 1)** is:
-
-<pre>
-       ((join MG') -v- (MM &gamma;))  =  ((M &gamma;) -v- (join G)),
-       where as we said &gamma; is a natural transformation from G to MG'.
-</pre>
-
-
-Next recall that `unit` is a natural transformation from `1C` to `M`. So for elements `C1` in <b>C</b>, `unit[C1]` will be a morphism from `C1` to `M(C1)`. And for any morphism <code>f:C1&rarr;C2</code> in <b>C</b>:
-
-<pre>
-       (4) unit[C2] &#8728; f = M(f) &#8728; unit[C1]
-</pre>
-
-Next, consider the composite transformation <code>((M &gamma;) -v- (unit G))</code>:
-
-<pre>
-       (5) ((M &gamma;) -v- (unit G)) assigns to C1 the morphism M(&gamma;*) &#8728; unit[G(C1)].
-</pre>
-
-Next, consider the composite transformation <code>((unit MG') -v- &gamma;)</code>:
-
-<pre>
-       (6) ((unit MG') -v- &gamma;) assigns to C1 the morphism unit[MG'(C1)] &#8728; &gamma;*.
-</pre>
-
-So for every element C1 of <b>C</b>:
-
-<pre>
-       ((M &gamma;) -v- (unit G))[C1], by (5) =
-       M(&gamma;*) &#8728; unit[G(C1)], which by (4), with f=&gamma;*:G(C1)&rarr;MG'(C1) is:
-       unit[MG'(C1)] &#8728; &gamma;*, which by (6) =
-       ((unit MG') -v- &gamma;)[C1]
-</pre>
-
-So our **(lemma 2)** is:
-
-<pre>
-       (((M &gamma;) -v- (unit G))  =  ((unit MG') -v- &gamma;)),
-       where as we said &gamma; is a natural transformation from G to MG'.
-</pre>
-
-
-Finally, we substitute <code>((join G') -v- (M &gamma;) -v- &phi;)</code> for <code>&gamma; &lt;=&lt; &phi;</code> in the monad laws. For simplicity, I'll omit the "-v-".
-
-<pre>
-       For all &rho;, &gamma;, &phi; in T,
-       where &phi; is a transformation from F to MF',
-       &gamma; is a transformation from G to MG',
-       &rho; is a transformation from R to MR',
-       and F'=G and G'=R:
-
-            (i) &gamma; <=< &phi; etc are also in T
-       ==>
-           (i') ((join G') (M &gamma;) &phi;) etc are also in T
-</pre>
-
-<pre>
-           (ii) (&rho; <=< &gamma;) <=< &phi;  =  &rho; <=< (&gamma; <=< &phi;)
-       ==>
-                    (&rho; <=< &gamma;) is a transformation from G to MR', so
-                        (&rho; <=< &gamma;) <=< &phi; becomes: ((join R') (M (&rho; <=< &gamma;)) &phi;)
-                                                       which is: ((join R') (M ((join R') (M &rho;) &gamma;)) &phi;)
-
-                        similarly, &rho; <=< (&gamma; <=< &phi;) is:
-                                                       ((join R') (M &rho;) ((join G') (M &gamma;) &phi;))
-
-                        substituting these into (ii), and helping ourselves to associativity on the rhs, we get:
-                ((join R') (M ((join R') (M &rho;) &gamma;)) &phi;) = ((join R') (M &rho;) (join G') (M &gamma;) &phi;)
-    
-                        which by the distributivity of functors over composition, and helping ourselves to associativity on the lhs, yields:
-                ((join R') (M join R') (MM &rho;) (M &gamma;) &phi;) = ((join R') (M &rho;) (join G') (M &gamma;) &phi;)
-  
-                        which by lemma 1, with &rho; a transformation from G' to MR', yields:
-                ((join R') (M join R') (MM &rho;) (M &gamma;) &phi;) = ((join R') (join MR') (MM &rho;) (M &gamma;) &phi;)
-
-                        [-- Are the next two steps too cavalier? --]
-
-                        which will be true for all &rho;, &gamma;, &phi; only when:
-                ((join R') (M join R')) = ((join R') (join MR')), for any R'
-
-                        which will in turn be true when:
-       (ii') (join (M join)) = (join (join M))
-</pre>
-
-<pre>
-        (iii.1) (unit G') <=< &gamma;  =  &gamma;
-                when &gamma; is a natural transformation from some FG' to MG'
-       ==>
-                        (unit G') is a transformation from G' to MG', so:
-                        (unit G') <=< &gamma; becomes: ((join G') (M (unit G')) &gamma;)
-                                             which is: ((join G') ((M unit) G') &gamma;)
-
-                        substituting in (iii.1), we get:
-                        ((join G') ((M unit) G') &gamma;) = &gamma;
-
-                        which is:
-                        (((join (M unit)) G') &gamma;) = &gamma;
-
-                        [-- Are the next two steps too cavalier? --]
-
-                        which will be true for all &gamma; just in case:
-                        for any G', ((join (M unit)) G') = the identity transformation
-
-                        which will in turn be true just in case:
-       (iii.1') (join (M unit)) = the identity transformation
-</pre>
-
-<pre>
-        (iii.2) &gamma;  =  &gamma; <=< (unit G)
-                when &gamma; is a natural transformation from G to some MR'G
-       ==>
-                        &gamma; <=< (unit G) becomes: ((join R'G) (M &gamma;) (unit G))
-                       
-                        substituting in (iii.2), we get:
-                        &gamma; = ((join R'G) (M &gamma;) (unit G))
-               
-                        which by lemma 2, yields:
-                        &gamma; = (((join R'G) ((unit MR'G) &gamma;)
-
-                        which is:
-                        &gamma; = (((join (unit M)) R'G) &gamma;)
-
-                        [-- Are the next two steps too cavalier? --]
-
-                         which will be true for all &gamma; just in case:
-                        for any R'G, ((join (unit M)) R'G) = the identity transformation
-
-                        which will in turn be true just in case:
-       (iii.2') (join (unit M)) = the identity transformation
-</pre>
-
-
-Collecting the results, our monad laws turn out in this format to be:
-
-<pre>
-       For all &rho;, &gamma;, &phi; in T,
-       where &phi; is a transformation from F to MF',
-       &gamma; is a transformation from G to MG',
-       &rho; is a transformation from R to MR',
-       and F'=G and G'=R:
-
-           (i') ((join G') (M &gamma;) &phi;) etc also in T
-
-          (ii') (join (M join)) = (join (join M))
-
-       (iii.1') (join (M unit)) = the identity transformation
-
-       (iii.2') (join (unit M)) = the identity transformation
-</pre>
-
-
-
-Getting to the functional programming presentation of the monad laws
---------------------------------------------------------------------
-In functional programming, `unit` is sometimes called `return` and the monad laws are usually stated in terms of `unit`/`return` and an operation called `bind` which is interdefinable with `<=<` or with `join`.
-
-The base category <b>C</b> 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.)
-
-A monad `M` will consist of a mapping from types `'t` to types `M('t)`, and a mapping from functions <code>f:C1&rarr;C2</code> to functions <code>M(f):M(C1)&rarr;M(C2)</code>. This is also known as <code>lift<sub>M</sub> f</code> for `M`, and is pronounced "function f lifted into the monad M." For example, where `M` is the list monad, `M` maps every type `'t` into the type `'t list`, and maps every function <code>f:x&rarr;y</code> into the function that maps `[x1,x2...]` to `[y1,y2,...]`.
-
-
-In functional programming, instead of working with natural transformations we work with "monadic values" and polymorphic functions "into the monad."
-
-A "monadic value" is any member of a type `M('t)`, for any type `'t`. For example, any `int list` is a monadic value for the list monad. We can think of these monadic values as the result of applying some function `phi`, whose type is `F('t)->M(F'('t))`. `'t` here is any collection of free type variables, and `F('t)` and `F'('t)` are types parameterized on `'t`. An example, with `M` being the list monad, `'t` being `('t1,'t2)`, `F('t1,'t2)` being `char * 't1 * 't2`, and `F'('t1,'t2)` being `int * 't1 * 't2`:
-
-<pre>
-       let phi = fun ((_:char, x y) -> [(1,x,y),(2,x,y)]
-</pre>
-
-
-
-Now where `gamma` is another function of type <code>F'('t) &rarr; M(G'('t))</code>, we define:
-
-<pre>
-       gamma =<< phi a  =def. ((join G') -v- (M gamma)) (phi a)
-                        = ((join G') -v- (M gamma) -v- phi) a
-                                        = (gamma <=< phi) a
-</pre>
-
-Hence:
-
-<pre>
-       gamma <=< phi = fun a -> (gamma =<< phi a)
-</pre>
-
-`gamma =<< phi a` is called the operation of "binding" the function gamma to the monadic value `phi a`, and is usually written as `phi a >>= gamma`.
-
-With these definitions, our monadic laws become:
-
-
-<pre>
-       Where phi is a polymorphic function of type F('t) -> M(F'('t))
-       gamma is a polymorphic function of type G('t) -> M(G'('t))
-       rho is a polymorphic function of type R('t) -> M(R'('t))
-       and F' = G and G' = R, 
-       and a ranges over values of type F('t),
-       b ranges over values of type G('t),
-       and c ranges over values of type G'('t):
-
-             (i) &gamma; <=< &phi; is defined,
-                         and is a natural transformation from F to MG'
-       ==>
-               (i'') fun a -> gamma =<< phi a is defined,
-                         and is a function from type F('t) -> M(G'('t))
-</pre>
-
-<pre>
-            (ii) (&rho; <=< &gamma;) <=< &phi;  =  &rho; <=< (&gamma; <=< &phi;)
-       ==>
-                         (fun a -> (rho <=< gamma) =<< phi a)  =  (fun a -> rho =<< (gamma <=< phi) a)
-                         (fun a -> (fun b -> rho =<< gamma b) =<< phi a)  =  (fun a -> rho =<< (gamma =<< phi a))
-
-          (ii'') (fun b -> rho =<< gamma b) =<< phi a  =  rho =<< (gamma =<< phi a)
-</pre>
-
-<pre>
-         (iii.1) (unit G') <=< &gamma;  =  &gamma;
-                 when &gamma; is a natural transformation from some FG' to MG'
-       ==>
-                         (unit G') <=< gamma  =  gamma
-                         when gamma is a function of type F(G'('t)) -> M(G'('t))
-
-                         fun b -> (unit G') =<< gamma b  =  gamma
-
-                         (unit G') =<< gamma b  =  gamma b
-
-                         Let return be a polymorphic function mapping arguments of any
-                         type 't to M('t). In particular, it maps arguments c of type
-                         G'('t) to the monadic value (unit G') c, of type M(G'('t)).
-
-       (iii.1'') return =<< gamma b  =  gamma b
-</pre>
-
-<pre>
-         (iii.2) &gamma;  =  &gamma; <=< (unit G)
-                 when &gamma; is a natural transformation from G to some MR'G
-       ==>
-                         gamma  =  gamma <=< (unit G)
-                         when gamma is a function of type G('t) -> M(R'(G('t)))
-
-                         gamma  =  fun b -> gamma =<< (unit G) b
-
-                         As above, return will map arguments b of type G('t) to the
-                         monadic value (unit G) b, of type M(G('t)).
-
-                         gamma  =  fun b -> gamma =<< return b
-
-       (iii.2'') gamma b  =  gamma =<< return b
-</pre>
-
-Summarizing (ii''), (iii.1''), (iii.2''), these are the monadic laws as usually stated in the functional programming literature:
-
-*      `fun b -> rho =<< gamma b) =<< phi a  =  rho =<< (gamma =<< phi a)`
-
-       Usually written reversed, and with a monadic variable `u` standing in
-       for `phi a`:
-
-       `u >>= (fun b -> gamma b >>= rho)  =  (u >>= gamma) >>= rho`
-
-*      `return =<< gamma b  =  gamma b`
-
-       Usually written reversed, and with `u` standing in for `gamma b`:
-
-       `u >>= return  =  u`
-
-*      `gamma b  =  gamma =<< return b`
-
-       Usually written reversed:
-
-       `return b >>= gamma  =  gamma b`
-