cat theory tweaks
[lambda.git] / advanced_topics / monads_in_category_theory.mdwn
index f26e2cd..1590619 100644 (file)
@@ -19,35 +19,41 @@ corrections.
 
 Monoids
 -------
-A **monoid** is a structure `(S, *, z)` consisting of an associative binary operation `*` over some set `S`, which is closed under `*`, and which contains an identity element `z` for `*`. That is:
+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*s2 etc are also in S
-       (ii) (s1*s2)*s3 = s1*(s2*s3)
-       (iii) z*s1 = s1 = s1*z
+       (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 `*` being concatenation and `z` being the empty string
-*      all functions `X&rarr;X` over a set `X`, with `*` being composition and `z` being the identity function over `X`
-*      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**.)
-*      if we let `*` be multiplication and `z` be `1`, we get different monoids over the same sets as in the previous item.
+*      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 `f:C1&rarr;C2`.
+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 &ordm; f is also a morphism of the category, which maps C1&rarr;C3.
-       (ii) composition of morphisms has to be associative
-       (iii) every element E of the category has to have an identity morphism 1<sub>E</sub>, which is such that for every morphism f:C1&rarr;C2: 1<sub>C2</sub> o f = f = f o 1<sub>C1</sub>
+       (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 E of the category has to have an identity
+             morphism 1<sub>E</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 `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.
@@ -59,7 +65,7 @@ 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 `(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. All of these morphisms are understood to map `x` to itself. The result of composing the morphism consisting of `s1` with the morphism `s2` is the morphism `s3`, where `s3=s1*s2`. The identity morphism for the (single) category element `x` is the monoid's identity `z`.
+*      any monoid <code>(S,&#8902;,z)</code> 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. All of these morphisms are understood to map `x` 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 `x` is the monoid's identity `z`.
 
 *      a **preorder** is a structure `(S, &le;)` consisting of a reflexive, transitive, binary relation on a set `S`. It need not be connected (that is, there may be members `x`,`y` of `S` such that neither `x&le;y` nor `y&le;x`). It need not be anti-symmetric (that is, there may be members `s1`,`s2` of `S` such that `s1&le;s2` and `s2&le;s1` but `s1` and `s2` are not identical). Some examples:
 
@@ -77,7 +83,7 @@ A **functor** is a "homomorphism", that is, a structure-preserving mapping, betw
        (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 o f) = F(g) o F(f)
+       (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`.
@@ -94,7 +100,7 @@ So categories include elements and morphisms. Functors consist of mappings from
 
 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 &eta;[C1]:G(C1)&rarr;H(C1)` in <b>D</b> for each element `C1` of <b>C</b>. That is, &eta;[C1]` 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:
 
-       for every morphism f:C1&rarr;C2 in <b>C</b>: &eta;[C2] o G(f) = H(f) o &eta;[C1]
+       for every morphism f:C1&rarr;C2 in <b>C</b>: &eta;[C2] &#8728; G(f) = H(f) &#8728; &eta;[C1]
 
 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)`.
 
@@ -121,19 +127,19 @@ And `(K &eta;)` is a natural transformation from the (composite) functor `KG` to
 
 `(&phi; -v- &eta;)` is a natural transformation from `G` to `J`; this is known as a "vertical composition". We will rely later on this, where `f:C1&rarr;C2`:
 
-       &phi;[C2] o H(f) o &eta;[C1] = &phi;[C2] o H(f) o &eta;[C1]
+       &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1] = &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1]
 
 by naturalness of &phi;, is:
 
-       &phi;[C2] o H(f) o &eta;[C1] = J(f) o &phi;[C1] o &eta;[C1]
+       &phi;[C2] &#8728; H(f) &#8728; &eta;[C1] = J(f) &#8728; &phi;[C1] &#8728; &eta;[C1]
 
 by naturalness of &eta;, is:
 
-       &phi;[C2] o &eta;[C2] o G(f) = J(f) o &phi;[C1] o &eta;[C1]
+       &phi;[C2] &#8728; &eta;[C2] &#8728; G(f) = J(f) &#8728; &phi;[C1] &#8728; &eta;[C1]
 
-Hence, we can define `(&phi; -v- &eta;)[x]` as: &phi;[x] o &eta;[x]` and rely on it to satisfy the constraints for a natural transformation from `G` to `J`:
+Hence, we can define `(&phi; -v- &eta;)[x]` as: &phi;[x] &#8728; &eta;[x]` and rely on it to satisfy the constraints for a natural transformation from `G` to `J`:
 
-       (&phi; -v- &eta;)[C2] o G(f) = J(f) o (&phi; -v- &eta;)[C1]
+       (&phi; -v- &eta;)[C2] &#8728; G(f) = J(f) &#8728; (&phi; -v- &eta;)[C1]
 
 An observation we'll rely on later: given the definitions of vertical composition and of how natural transformations compose with functors, it follows that:
 
@@ -144,8 +150,8 @@ I'll assert without proving that vertical composition is associative and has an
 
 `(&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:
 
-       (&phi; -h- &eta;)[C1]  =  L(&eta;[C1]) o &psi;[G(C1)]
-                                          =  &psi;[H(C1)] o K(&eta;[C1])
+       (&phi; -h- &eta;)[C1]  =  L(&eta;[C1]) &#8728; &psi;[G(C1)]
+                                          =  &psi;[H(C1)] &#8728; K(&eta;[C1])
 
 Horizontal composition is also associative, and has the same identity as vertical composition.
 
@@ -218,14 +224,14 @@ 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> o f = f = f o 1<sub>C1</sub>.
+       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 some principles:
        * 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: F(g o f) = F(g) o F(f)
-       * if &eta; is a natural transformation from F to G, then for every f:C1&rarr;C2 in F and G's source category <b>C</b>: &eta;[C2] o F(f) = G(f) o &eta;[C1].
+       * functors "distribute over composition", that is for any morphisms f and g in F's source category: F(g &#8728; f) = F(g) &#8728; F(f)
+       * if &eta; is a natural transformation from F to G, then for every f:C1&rarr;C2 in F and G's source category <b>C</b>: &eta;[C2] &#8728; F(f) = G(f) &#8728; &eta;[C1].
 
 
 Let's use the definitions of naturalness, and of composition of natural transformations, to establish two lemmas.
@@ -233,37 +239,37 @@ Let's use the definitions of naturalness, and of composition of natural transfor
 
 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 f:a&rarr;b in <b>C</b>:
 
-       (1) join[b] o MM(f)  =  M(f) o join[a]
+       (1) join[b] &#8728; MM(f)  =  M(f) &#8728; join[a]
 
 Next, consider the composite transformation ((join MQ') -v- (MM q)).
        q is a transformation from Q to MQ', and assigns elements C1 in <b>C</b> a morphism q*: Q(C1) &rarr; MQ'(C1). (MM q) is a transformation that instead assigns C1 the morphism MM(q*).
        (join MQ') is a transformation from MMMQ' to MMQ' that assigns C1 the morphism join[MQ'(C1)].
        Composing them:
-       (2) ((join MQ') -v- (MM q)) assigns to C1 the morphism join[MQ'(C1)] o MM(q*).
+       (2) ((join MQ') -v- (MM q)) assigns to C1 the morphism join[MQ'(C1)] &#8728; MM(q*).
 
 Next, consider the composite transformation ((M q) -v- (join Q)).
-       (3) This assigns to C1 the morphism M(q*) o join[Q(C1)].
+       (3) This assigns to C1 the morphism M(q*) &#8728; join[Q(C1)].
 
 So for every element C1 of <b>C</b>:
        ((join MQ') -v- (MM q))[C1], by (2) is:
-       join[MQ'(C1)] o MM(q*), which by (1), with f=q*: Q(C1)&rarr;MQ'(C1) is:
-       M(q*) o join[Q(C1)], which by 3 is:
+       join[MQ'(C1)] &#8728; MM(q*), which by (1), with f=q*: Q(C1)&rarr;MQ'(C1) is:
+       M(q*) &#8728; join[Q(C1)], which by 3 is:
        ((M q) -v- (join Q))[C1]
 
 So our (lemma 1) is: ((join MQ') -v- (MM q))  =  ((M q) -v- (join Q)), where q is a transformation from Q to MQ'.
 
 
 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 f:a&rarr;b in <b>C</b>:
-       (4) unit[b] o f = M(f) o unit[a]
+       (4) unit[b] &#8728; f = M(f) &#8728; unit[a]
 
-Next consider the composite transformation ((M q) -v- (unit Q)). (5) This assigns to C1 the morphism M(q*) o unit[Q(C1)].
+Next consider the composite transformation ((M q) -v- (unit Q)). (5) This assigns to C1 the morphism M(q*) &#8728; unit[Q(C1)].
 
-Next consider the composite transformation ((unit MQ') -v- q). (6) This assigns to C1 the morphism unit[MQ'(C1)] o q*.
+Next consider the composite transformation ((unit MQ') -v- q). (6) This assigns to C1 the morphism unit[MQ'(C1)] &#8728; q*.
 
 So for every element C1 of <b>C</b>:
        ((M q) -v- (unit Q))[C1], by (5) =
-       M(q*) o unit[Q(C1)], which by (4), with f=q*: Q(C1)&rarr;MQ'(C1) is:
-       unit[MQ'(C1)] o q*, which by (6) =
+       M(q*) &#8728; unit[Q(C1)], which by (4), with f=q*: Q(C1)&rarr;MQ'(C1) is:
+       unit[MQ'(C1)] &#8728; q*, which by (6) =
        ((unit MQ') -v- q)[C1]
 
 So our lemma (2) is: (((M q) -v- (unit Q))  =  ((unit MQ') -v- q)), where q is a transformation from Q to MQ'.
@@ -369,7 +375,7 @@ A monad M will consist of a mapping from types C1 to types M(C1), and a mapping
 
 
 A natural transformation t assigns to each type C1 in <b>C</b> a morphism t[C1]: C1&rarr;M(C1) such that, for every f:C1&rarr;C2:
-       t[C2] o f = M(f) o t[C1]
+       t[C2] &#8728; f = M(f) &#8728; t[C1]
 
 The composite morphisms said here to be identical are morphisms from the type C1 to the type M(C2).