helm/software/matita/contribs/formal_topology/overlap/o-algebra.ma

   1 (**************************************************************************)
   2 (*       ___                                                              *)
   3 (*      ||M||                                                             *)
   4 (*      ||A||       A project by Andrea Asperti                           *)
   5 (*      ||T||                                                             *)
   6 (*      ||I||       Developers:                                           *)
   7 (*      ||T||         The HELM team.                                      *)
   8 (*      ||A||         http://helm.cs.unibo.it                             *)
   9 (*      \   /                                                             *)
  10 (*       \ /        This file is distributed under the terms of the       *)
  11 (*        v         GNU General Public License Version 2                  *)
  12 (*                                                                        *)
  13 (**************************************************************************)
  14
  15 include "categories.ma".
  16 include "logic/cprop_connectives.ma".
  17
  18 inductive bool : Type0 := true : bool | false : bool.
  19
  20 lemma BOOL : objs1 SET.
  21 constructor 1; [apply bool] constructor 1;
  22 [ intros (x y); apply (match x with [ true ⇒ match y with [ true ⇒ True | _ ⇒ False] | false ⇒ match y with [ true ⇒ False | false ⇒ True ]]);
  23 | whd; simplify; intros; cases x; apply I;
  24 | whd; simplify; intros 2; cases x; cases y; simplify; intros; assumption;
  25 | whd; simplify; intros 3; cases x; cases y; cases z; simplify; intros;
  26   try assumption; apply I]
  27 qed.
  28
  29 lemma IF_THEN_ELSE_p :
  30   ∀S:setoid1.∀a,b:S.∀x,y:BOOL.x = y →
  31     (λm.match m with [ true ⇒ a | false ⇒ b ]) x =
  32     (λm.match m with [ true ⇒ a | false ⇒ b ]) y.
  33 whd in ⊢ (?→?→?→%→?);
  34 intros; cases x in e; cases y; simplify; intros; try apply refl1; whd in e; cases e;
  35 qed.
  36
  37 interpretation "unary morphism comprehension with no proof" 'comprehension T P =
  38   (mk_unary_morphism T _ P _).
  39 interpretation "unary morphism1 comprehension with no proof" 'comprehension T P =
  40   (mk_unary_morphism1 T _ P _).
  41
  42 notation > "hvbox({ ident i ∈ s | term 19 p | by })" with precedence 90
  43 for @{ 'comprehension_by $s (λ${ident i}. $p) $by}.
  44 notation < "hvbox({ ident i ∈ s | term 19 p })" with precedence 90
  45 for @{ 'comprehension_by $s (λ${ident i}:$_. $p) $by}.
  46
  47 interpretation "unary morphism comprehension with proof" 'comprehension_by s \eta.f p =
  48   (mk_unary_morphism s _ f p).
  49 interpretation "unary morphism1 comprehension with proof" 'comprehension_by s \eta.f p =
  50   (mk_unary_morphism1 s _ f p).
  51
  52 definition hint: Type_OF_category2 SET1 → setoid2.
  53  intro; apply (setoid2_of_setoid1 t); qed.
  54 coercion hint.
  55
  56 definition hint2: Type_OF_category1 SET → objs2 SET1.
  57  intro; apply (setoid1_of_setoid t); qed.
  58 coercion hint2.
  59
  60 (* per il set-indexing vedere capitolo BPTools (foundational tools), Sect. 0.3.4 complete
  61    lattices, Definizione 0.9 *)
  62 (* USARE L'ESISTENZIALE DEBOLE *)
  63 (*alias symbol "comprehension_by" = "unary morphism comprehension with proof".*)
  64 record OAlgebra : Type2 := {
  65   oa_P :> SET1;
  66   oa_leq : binary_morphism1 oa_P oa_P CPROP; (* CPROP is setoid1, CPROP importante che sia small *)
  67   oa_overlap: binary_morphism1 oa_P oa_P CPROP;
  68   oa_meet: ∀I:SET.unary_morphism2 (arrows2 SET1 I oa_P) oa_P;
  69   oa_join: ∀I:SET.unary_morphism2 (arrows2 SET1 I oa_P) oa_P;
  70   oa_one: oa_P;
  71   oa_zero: oa_P;
  72   oa_leq_refl: ∀a:oa_P. oa_leq a a;
  73   oa_leq_antisym: ∀a,b:oa_P.oa_leq a b → oa_leq b a → a = b;
  74   oa_leq_trans: ∀a,b,c:oa_P.oa_leq a b → oa_leq b c → oa_leq a c;
  75   oa_overlap_sym: ∀a,b:oa_P.oa_overlap a b → oa_overlap b a;
  76   (* Errore: = in oa_meet_inf e oa_join_sup *)
  77   oa_meet_inf: ∀I.∀p_i.∀p:oa_P.oa_leq p (oa_meet I p_i) → ∀i:I.oa_leq p (p_i i);
  78   oa_join_sup: ∀I.∀p_i.∀p:oa_P.oa_leq (oa_join I p_i) p → ∀i:I.oa_leq (p_i i) p;
  79   oa_zero_bot: ∀p:oa_P.oa_leq oa_zero p;
  80   oa_one_top: ∀p:oa_P.oa_leq p oa_one;
  81   oa_overlap_preserves_meet_:
  82       ∀p,q:oa_P.oa_overlap p q → oa_overlap p
  83        (oa_meet ? { x ∈ BOOL | match x with [ true ⇒ p | false ⇒ q ] | IF_THEN_ELSE_p oa_P p q });
  84   (* ⇔ deve essere =, l'esiste debole *)
  85   oa_join_split:
  86       ∀I:SET.∀p.∀q:arrows2 SET1 I oa_P.
  87        oa_overlap p (oa_join I q) ⇔ ∃i:I.oa_overlap p (q i);
  88   (*oa_base : setoid;
  89   1) enum non e' il nome giusto perche' non e' suriettiva
  90   2) manca (vedere altro capitolo) la "suriettivita'" come immagine di insiemi di oa_base
  91   oa_enum : ums oa_base oa_P;
  92   oa_density: ∀p,q.(∀i.oa_overlap p (oa_enum i) → oa_overlap q (oa_enum i)) → oa_leq p q
  93   *)
  94   oa_density:
  95       ∀p,q.(∀r.oa_overlap p r → oa_overlap q r) → oa_leq p q
  96 }.
  97
  98 interpretation "o-algebra leq" 'leq a b = (fun21 ___ (oa_leq _) a b).
  99
 100 notation "hovbox(a mpadded width -150% (>)< b)" non associative with precedence 45
 101 for @{ 'overlap $a $b}.
 102 interpretation "o-algebra overlap" 'overlap a b = (fun22 ___ (oa_overlap _) a b).
 103
 104 notation < "hovbox(mstyle scriptlevel 1 scriptsizemultiplier 1.7 (∧) \below (\emsp) \nbsp term 90 p)"
 105 non associative with precedence 50 for @{ 'oa_meet $p }.
 106 notation < "hovbox(mstyle scriptlevel 1 scriptsizemultiplier 1.7 (∧) \below (ident i ∈  I) break term 90 p)"
 107 non associative with precedence 50 for @{ 'oa_meet_mk (λ${ident i}:$I.$p) }.
 108
 109 (*
 110 notation < "hovbox(a ∧ b)" left associative with precedence 35
 111 for @{ 'oa_meet_mk (λ${ident i}:$_.match $i with [ true ⇒ $a | false ⇒ $b ]) }.
 112 *)
 113 notation > "hovbox(∧ f)" non associative with precedence 60
 114 for @{ 'oa_meet $f }.
 115 (*
 116 notation > "hovbox(a ∧ b)" left associative with precedence 50
 117 for @{ 'oa_meet (mk_unary_morphism BOOL ? (λx__:bool.match x__ with [ true ⇒ $a | false ⇒ $b ]) (IF_THEN_ELSE_p ? $a $b)) }.
 118 *)
 119 interpretation "o-algebra meet" 'oa_meet f =
 120   (fun11 __ (oa_meet __) f).
 121 interpretation "o-algebra meet with explicit function" 'oa_meet_mk f =
 122   (fun11 __ (oa_meet __) (mk_unary_morphism _ _ f _)).
 123
 124 (*
 125
 126 definition binary_meet : ∀O:OAlgebra. binary_morphism1 O O O.
 127 intros; split;
 128 [ intros (p q);
 129   apply (∧ { x ∈ BOOL | match x with [ true ⇒ p | false ⇒ q ] | IF_THEN_ELSE_p ? p q });
 130 | intros; apply (prop_1 ?? (oa_meet O BOOL)); intro x; simplify;
 131   cases x; simplify; assumption;]
 132 qed.
 133
 134 notation "hovbox(a ∧ b)" left associative with precedence 35
 135 for @{ 'oa_meet_bin $a $b }.
 136 interpretation "o-algebra binary meet" 'oa_meet_bin a b =
 137   (fun1 ___ (binary_meet _) a b).
 138
 139 lemma oa_overlap_preservers_meet: ∀O:OAlgebra.∀p,q:O.p >< q → p >< (p ∧ q).
 140 intros;  lapply (oa_overlap_preservers_meet_ O p q f);
 141 lapply (prop1 O O CPROP (oa_overlap O) p p ? (p ∧ q) # ?);
 142 [3: apply (if ?? (Hletin1)); apply Hletin;|skip] apply refl1;
 143 qed.
 144
 145 notation < "hovbox(mstyle scriptlevel 1 scriptsizemultiplier 1.7 (∨) \below (\emsp) \nbsp term 90 p)"
 146 non associative with precedence 49 for @{ 'oa_join $p }.
 147 notation < "hovbox(mstyle scriptlevel 1 scriptsizemultiplier 1.7 (∨) \below (ident i ∈  I) break term 90 p)"
 148 non associative with precedence 49 for @{ 'oa_join_mk (λ${ident i}:$I.$p) }.
 149 notation < "hovbox(a ∨ b)" left associative with precedence 49
 150 for @{ 'oa_join_mk (λ${ident i}:$_.match $i with [ true ⇒ $a | false ⇒ $b ]) }.
 151
 152 notation > "hovbox(∨ f)" non associative with precedence 59
 153 for @{ 'oa_join $f }.
 154 notation > "hovbox(a ∨ b)" left associative with precedence 49
 155 for @{ 'oa_join (mk_unary_morphism BOOL ? (λx__:bool.match x__ with [ true ⇒ $a | false ⇒ $b ]) (IF_THEN_ELSE_p ? $a $b)) }.
 156
 157 interpretation "o-algebra join" 'oa_join f =
 158   (fun_1 __ (oa_join __) f).
 159 interpretation "o-algebra join with explicit function" 'oa_join_mk f =
 160   (fun_1 __ (oa_join __) (mk_unary_morphism _ _ f _)).
 161
 162 record ORelation (P,Q : OAlgebra) : Type ≝ {
 163   or_f_ : arrows1 SET P Q;
 164   or_f_minus_star_ : arrows1 SET P Q;
 165   or_f_star_ : arrows1 SET Q P;
 166   or_f_minus_ : arrows1 SET Q P;
 167   or_prop1_ : ∀p,q. (or_f_ p ≤ q) = (p ≤ or_f_star_ q);
 168   or_prop2_ : ∀p,q. (or_f_minus_ p ≤ q) = (p ≤ or_f_minus_star_ q);
 169   or_prop3_ : ∀p,q. (or_f_ p >< q) = (p >< or_f_minus_ q)
 170 }.
 171
 172
 173 definition ORelation_setoid : OAlgebra → OAlgebra → setoid1.
 174 intros (P Q);
 175 constructor 1;
 176 [ apply (ORelation P Q);
 177 | constructor 1;
 178    (* tenere solo una uguaglianza e usare la proposizione 9.9 per
 179       le altre (unicita' degli aggiunti e del simmetrico) *)
 180    [ apply (λp,q. And4 (eq1 ? (or_f_minus_star_ ?? p) (or_f_minus_star_ ?? q))
 181              (eq1 ? (or_f_minus_ ?? p) (or_f_minus_ ?? q))
 182              (eq1 ? (or_f_ ?? p) (or_f_ ?? q))
 183              (eq1 ? (or_f_star_ ?? p) (or_f_star_ ?? q)));
 184    | whd; simplify; intros; repeat split; intros; apply refl1;
 185    | whd; simplify; intros; cases H; clear H; split;
 186      intro a; apply sym; generalize in match a;assumption;
 187    | whd; simplify; intros; cases H; cases H1; clear H H1; split; intro a;
 188      [ apply (.= (H2 a)); apply H6;
 189      | apply (.= (H3 a)); apply H7;
 190      | apply (.= (H4 a)); apply H8;
 191      | apply (.= (H5 a)); apply H9;]]]
 192 qed.
 193
 194 definition or_f_minus_star: ∀P,Q:OAlgebra.ORelation_setoid P Q ⇒ arrows1 SET P Q.
 195  intros; constructor 1;
 196   [ apply or_f_minus_star_;
 197   | intros; cases H; assumption]
 198 qed.
 199
 200 definition or_f: ∀P,Q:OAlgebra.ORelation_setoid P Q ⇒ arrows1 SET P Q.
 201  intros; constructor 1;
 202   [ apply or_f_;
 203   | intros; cases H; assumption]
 204 qed.
 205
 206 coercion or_f.
 207
 208 definition or_f_minus: ∀P,Q:OAlgebra.ORelation_setoid P Q ⇒ arrows1 SET Q P.
 209  intros; constructor 1;
 210   [ apply or_f_minus_;
 211   | intros; cases H; assumption]
 212 qed.
 213
 214 definition or_f_star: ∀P,Q:OAlgebra.ORelation_setoid P Q ⇒ arrows1 SET Q P.
 215  intros; constructor 1;
 216   [ apply or_f_star_;
 217   | intros; cases H; assumption]
 218 qed.
 219
 220 lemma arrows1_OF_ORelation_setoid : ∀P,Q. ORelation_setoid P Q → arrows1 SET P Q.
 221 intros; apply (or_f ?? c);
 222 qed.
 223
 224 coercion arrows1_OF_ORelation_setoid nocomposites.
 225
 226 lemma umorphism_OF_ORelation_setoid : ∀P,Q. ORelation_setoid P Q → P ⇒ Q.
 227 intros; apply (or_f ?? c);
 228 qed.
 229
 230 coercion umorphism_OF_ORelation_setoid.
 231
 232
 233 lemma uncurry_arrows : ∀B,C. arrows1 SET B C → B → C.
 234 intros; apply ((fun_1 ?? c) t);
 235 qed.
 236
 237 coercion uncurry_arrows 1.
 238
 239 lemma hint3 : ∀P,Q. arrows1 SET P Q → P ⇒ Q. intros; apply c;qed.
 240 coercion hint3 nocomposites.
 241
 242 (*
 243 lemma hint2: OAlgebra → setoid. intros; apply (oa_P o). qed.
 244 coercion hint2 nocomposites.
 245 *)
 246
 247
 248 notation "r \sup *" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_star $r}.
 249 notation > "r *" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_star $r}.
 250
 251 notation "r \sup (⎻* )" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_minus_star $r}.
 252 notation > "r⎻*" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_minus_star $r}.
 253
 254 notation "r \sup ⎻" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_minus $r}.
 255 notation > "r⎻" non associative with precedence 90 for @{'OR_f_minus $r}.
 256
 257 interpretation "o-relation f⎻*" 'OR_f_minus_star r = (fun_1 __ (or_f_minus_star _ _) r).
 258 interpretation "o-relation f⎻" 'OR_f_minus r = (fun_1 __ (or_f_minus _ _) r).
 259 interpretation "o-relation f*" 'OR_f_star r = (fun_1 __ (or_f_star _ _) r).
 260
 261 definition or_prop1 : ∀P,Q:OAlgebra.∀F:ORelation_setoid P Q.∀p,q.
 262    (F p ≤ q) = (p ≤ F* q).
 263 intros; apply (or_prop1_ ?? F p q);
 264 qed.
 265
 266 definition or_prop2 : ∀P,Q:OAlgebra.∀F:ORelation_setoid P Q.∀p,q.
 267    (F⎻ p ≤ q) = (p ≤ F⎻* q).
 268 intros; apply (or_prop2_ ?? F p q);
 269 qed.
 270
 271 definition or_prop3 : ∀P,Q:OAlgebra.∀F:ORelation_setoid P Q.∀p,q.
 272    (F p >< q) = (p >< F⎻ q).
 273 intros; apply (or_prop3_ ?? F p q);
 274 qed.
 275
 276 definition ORelation_composition : ∀P,Q,R.
 277   binary_morphism1 (ORelation_setoid P Q) (ORelation_setoid Q R) (ORelation_setoid P R).
 278 intros;
 279 constructor 1;
 280 [ intros (F G);
 281   constructor 1;
 282   [ apply (G ∘ F);
 283   | apply (G⎻* ∘ F⎻* );
 284   | apply (F* ∘ G* );
 285   | apply (F⎻ ∘ G⎻);
 286   | intros;
 287     change with ((G (F p) ≤ q) = (p ≤ (F* (G* q))));
 288     apply (.= (or_prop1 :?));
 289     apply (or_prop1 :?);
 290   | intros;
 291     change with ((F⎻ (G⎻ p) ≤ q) = (p ≤ (G⎻* (F⎻* q))));
 292     apply (.= (or_prop2 :?));
 293     apply or_prop2 ;
 294   | intros; change with ((G (F (p)) >< q) = (p >< (F⎻ (G⎻ q))));
 295     apply (.= (or_prop3 :?));
 296     apply or_prop3;
 297   ]
 298 | intros; split; simplify;
 299    [1,3: unfold arrows1_OF_ORelation_setoid; apply ((†H)‡(†H1));
 300    |2,4: apply ((†H1)‡(†H));]]
 301 qed.
 302
 303 definition OA : category1.
 304 split;
 305 [ apply (OAlgebra);
 306 | intros; apply (ORelation_setoid o o1);
 307 | intro O; split;
 308   [1,2,3,4: apply id1;
 309   |5,6,7:intros; apply refl1;]
 310 | apply ORelation_composition;
 311 | intros (P Q R S F G H); split;
 312    [ change with (H⎻* ∘ G⎻* ∘ F⎻* = H⎻* ∘ (G⎻* ∘ F⎻* ));
 313      apply (comp_assoc1 ????? (F⎻* ) (G⎻* ) (H⎻* ));
 314    | apply ((comp_assoc1 ????? (H⎻) (G⎻) (F⎻))^-1);
 315    | apply ((comp_assoc1 ????? F G H)^-1);
 316    | apply ((comp_assoc1 ????? H* G* F* ));]
 317 | intros; split; unfold ORelation_composition; simplify; apply id_neutral_left1;
 318 | intros; split; unfold ORelation_composition; simplify; apply id_neutral_right1;]
 319 qed.
 320 *)