cat theory tweaks
[lambda.git] / advanced_topics / monads_in_category_theory.mdwn
index 6662576..8c5f4cd 100644 (file)
@@ -24,15 +24,15 @@ A **monoid** is a structure <code>(S,&#8902;,z)</code> consisting of an associat
 
 <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)
+         (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 `X&rarr;X` over a set `X`, with <code>&#8902;</code> being composition and `z` being the identity function over `X`
+*      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.
 
@@ -40,14 +40,20 @@ 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 &#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>
+         (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.
@@ -57,11 +63,11 @@ A good intuitive picture of a category is as a generalized directed graph, where
 
 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.
+*      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 `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:
+*      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 `x`,`y` of `S` such that neither <code>x&le;y</code> nor <code>y&le;x</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)
@@ -74,10 +80,17 @@ 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)
+         (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`.