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authorJuan Marin Noguera <juan@mnpi.eu>2023-06-18 13:42:00 +0200
committerJuan Marin Noguera <juan@mnpi.eu>2023-06-18 13:42:00 +0200
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Correcciones adjunciones y mónadas
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index da07c48..b07996c 100644
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@@ -5,21 +5,22 @@ se puede estudiar, por ejemplo, la relación de un objeto o morfismo con su
imagen, o lo que ocurre al aplicar el endofuntor varias veces.
Por ejemplo, tomemos el endofuntor $\power:\bSet\to\bSet$. Dado un conjunto $X$,
-entre $X$ y $\power X$ podemos tomar una inyección $\eta_X:X\to\power X$ dada
-por $\eta_X(x)\coloneqq\{x\}$, que es natural. Por otro lado, aunque podemos
-aplicar este funtor a $X$ varias veces, siempre podemos volver de $\power^nX$ a
+entre $X$ y $\power X$ existe un monomorfismo $\eta_X:X\to\power X$ dado por
+$\eta_X(x)\coloneqq\{x\}$, que es natural. Por otro lado, aunque podemos aplicar
+este funtor a $X$ varias veces, siempre podemos volver de $\power^nX$ a
$\power X$ aplicando sucesivamente la unión, que podemos ver como una función
$\mu_X:\power\power X\to\power X$ dada por $\mu_X(\cA)\coloneqq\bigcup\cA$. Esto
-también define una transformación natural, que, además, <<da igual>> en qué
-orden se aplique, en el sentido de que, si $S\in\power^3X$, aplicar primero
+también define una transformación natural que, además, <<da igual>> en qué orden
+se aplique, en el sentido de que, si $S\in\power^3X$, aplicar primero
$\mu_{\power X}$ a $S$ y luego $\mu_X$ al resultado es lo mismo que aplicar
$\mu_X$ a cada elemento de $S$ y a continuación aplicar $\mu_X$ al resultado.
Además, intuitivamente $\mu$ se puede ver como una inversa por un lado de
$\eta$, en tanto que $\mu_X(\eta_{\power X}(S))\equiv S$.
-Muchos endofuntores relevantes admiten transformaciones naturales con
-propiedades similares, y para estudiar estos casos existe el concepto de mónada.
-Este capítulo se basa principalmente en \cite[VI]{maclane}.
+Muchos endofuntores comunes admiten transformaciones naturales con estas
+propiedades, y cuando esto ocurre hablamos de mónadas. En este capítulo
+estudiamos las mónadas y sus principales propiedades, basándonos principalmente
+en \cite[VI]{maclane}.
\begin{definition}
Una \conc{mónada} en una categoría $\cC$ es una tupla $(T,\eta,\mu)$
@@ -32,11 +33,11 @@ Este capítulo se basa principalmente en \cite[VI]{maclane}.
\end{enumerate}
\end{definition}
-\begin{proposition}
- Si $(T,\eta,\mu)$ es una mónada en $\cC$ y $c$ es un objeto de $\cC$,
- $\eta_c:c\monicTo Tc$ es una sección y $\mu_c:TTc\epicTo Tc$ es una
- retracción.
-\end{proposition}
+% \begin{proposition}
+% Si $(T,\eta,\mu)$ es una mónada en $\cC$ y $c$ es un objeto de $\cC$,
+% $\eta_c:c\monicTo Tc$ es una sección y $\mu_c:TTc\epicTo Tc$ es una
+% retracción.
+% \end{proposition}
\begin{figure}
\centering
@@ -57,7 +58,7 @@ Este capítulo se basa principalmente en \cite[VI]{maclane}.
\centering
\begin{diagram}
\path (0,2) node(IT){$1\circ T$} (2,2) node(TT){$T^2$} (4,2) node(TI){$T\circ 1$};
- \path (2,0) node(T){$T$};
+ \path (2,0) node(T){$T$} node[below]{$\phantom{\mu}$};
\draw[->] (IT) -- node[above]{$\eta T$} (TT);
\draw[->] (TI) -- node[above]{$T\eta$} (TT);
\draw[->] (TT) -- node[right]{$\mu$} (T);
@@ -72,8 +73,8 @@ Este capítulo se basa principalmente en \cite[VI]{maclane}.
\begin{example}\;
\begin{enumerate}
- \item $\power:\bSet\to\bSet$ es una mónada con las operaciones indicadas en la
- introducción del capítulo.
+ \item $\power:\bSet\to\bSet$ es una mónada, descrita en la introducción del
+ capítulo.
\item Toda categoría admite una \conc{mónada identidad}, formada por el
endofuntor identidad y dos transformaciones naturales identidad.
\item Sea $(^*):\bSet\to\bSet$ el endofuntor que asocia a cada objeto $X$ el
@@ -86,13 +87,14 @@ Este capítulo se basa principalmente en \cite[VI]{maclane}.
\item \label{enu:monad-variety} Esto se puede generalizar a todas las
variedades algebraicas. El álgebra libre sobre un conjunto $X$ es un
conjunto cociente de árboles formados por operadores y elementos de $X$
- (\ref{prop:free-algebra}), y las funciones entre conjuntos se pueden llevar
- a morfismos de álgebras libres operando sobre los elementos del dominio en
- el árbol. Entonces el equivalente a la lista de un elemento sería (la clase
- de equivalencia de) un árbol cuya raíz es dicho elemento, y el equivalente a
- concatenar listas es sustituir cada elemento base del árbol, que es a su vez
- una clase de equivalencia de árboles, por un representante de esta clase a
- modo de subárbol. Claramente estas transformaciones son naturales y forman
+ (\ref{prop:free-algebra}), o de expresiones formales que involucran a dichos
+ operadores y elementos, y las funciones entre conjuntos se pueden llevar a
+ morfismos de álgebras libres que operan elemento a elemento sobre las
+ expresiones. Entonces la unidad $\eta_X$ llevaría cada elemento de $X$ a
+ (la clase de equivalencia de) la expresión formada sólo por dicho elemento,
+ y la unión $\mu_X$ tomaría árboles cuyas hojas son (clases de equivalencia
+ de) otros árboles y sustituiría las hojas por los subárboles que
+ representan. Es fácil ver que estas transformaciones son naturales y forman
una mónada.
\item Sean $\cC$ una categoría con coproductos finitos y $d$ un objeto de
$\cC$. Sea $E:\cC\to\cC$ un endofuntor que a cada objeto $c$ le asocia
@@ -150,11 +152,11 @@ un funtor libre.
\end{proposition}
\begin{proof}
Al componer horizontalmente $\eps$ consigo mismo (\ref{def:comp-horiz})
- obtenemos que $\eps\circ\eps=\eps\cdot\eps FG=\eps\cdot FG\eps$, y añadiendo
- $G$ al principio y $F$ al final obtenemos
- $G\eps F\cdot G\eps FGF=G\eps F\cdot GFG\eps F$, que es la primera ley de las
- mónadas. Para la segunda, basta añadir $F$ al final en la identidad
- $G\eps\cdot\eta G=1$ y $G$ al principio en $\eps F\cdot F\eta=1$.
+ obtenemos que $\eps\circ\eps=\eps\cdot\eps FG=\eps\cdot FG\eps$, y componiendo
+ con $G$ por la izquierda y con $F$ por la derecha obtenemos
+ $G\eps F\cdot G\eps FGF=G\eps F\cdot GFG\eps F$, que es la primera condición
+ de coherencia. Para la segunda basta componer con $F$ por la derecha en la
+ identidad $G\eps\cdot\eta G=1$ y con $G$ por la izquierda en $\eps F\cdot F\eta=1$.
\end{proof}
\begin{definition}
@@ -162,7 +164,7 @@ un funtor libre.
categoría $\Mnd{\cC}$ cuyos objetos son las mónadas sobre $\cC$ y cuyos
morfismos $(S,\eta,\mu)\to(T,\eta',\mu')$ son las transformaciones naturales
$\tau:S\to T$ tales que los diagramas en la figura \ref{fig:monad-morph}
- conmutan, con la composición vertical y la identidad evidente.
+ conmutan, con la composición vertical y las identidades evidentes.
\begin{figure}
\centering
\begin{subfigure}{.45\linewidth}
@@ -200,9 +202,9 @@ las comónadas es más limitada.
\section{Categorías de Eilenberg-Moore}
Hemos visto que toda adjunción genera una mónada, por lo que cabe preguntarse si
-toda mónada es generada de esta manera por una adjunción. La respuesta es qué
+toda mónada es generada de esta manera por una adjunción. La respuesta es que
sí, y de hecho en general cada mónada se puede describir mediante dos
-adjunciones distintas asociadas a dos categorías distintas, la categoría de
+adjunciones asociadas a dos categorías distintas, la categoría de
Eilenberg-Moore y la categoría de Kleisli. Empezamos viendo la primera, que
generaliza el concepto de variedad algebraica.
@@ -210,7 +212,7 @@ generaliza el concepto de variedad algebraica.
Sea $T=(T,\eta,\mu)$ una mónada en una categoría $\cC$.
\begin{enumerate}
\item Una \conc{$T$-álgebra} es un morfismo $e:Tc\epicTo c$ para cierto objeto
- $c$ en $\cC$ tales que los diagramas en la figura \ref{fig:T-algebra}
+ $c$ en $\cC$ tal que los diagramas en la figura \ref{fig:T-algebra}
conmutan. Llamamos \conc{mapa de estructura} de la $T$-álgebra a $e$ y
\conc{objeto subyacente} a $c$.
\begin{figure}
@@ -247,7 +249,7 @@ generaliza el concepto de variedad algebraica.
\item La \conc{categoría de Eilenberg-Moore} asociada a $T$, escrita
$\cC^{(T,\eta,\mu)}$ o simplemente $\cC^T$, es la que tiene como objetos las
$T$-álgebras y como morfismos los morfismos de $T$-álgebras, con la
- composición y la identidad de $\cC$.
+ composición y las identidades de $\cC$.
\end{enumerate}
\end{definition}
@@ -263,13 +265,14 @@ generaliza el concepto de variedad algebraica.
Para cada objeto $c$ en $\cC$, $1_{Tc}$ es la identidad de la $T$-álgebra
$\mu_c$, y para cada morfismo $f:c\to c'$, $Tf:\mu_c\to\mu_{c'}$ es un
morfismo de $T$-álgebras por la naturalidad de $\mu$, luego $F$ es un
- funtor. Por otro lado, $G$ claramente es un funtor y
- $e=\eps_e:\mu_{\cod e}\to e$ es una transformación natural. Además, dada una
- $T$-álgebra $e:Tc\to c$, $G\eps_e\circ\eta_{Ge}=e\circ\eta_c=1$, y dado un
- objeto $c$ de $\cC$, $\eps_{Fc}\circ F\eta_c=\mu_c\circ T\eta_c=1$, luego
- $(F,G,\eta,\eps)$ es una adjunción. Finalmente, es obvio que $G\circ F=T$
- siguiendo su actuación sobre morfismos, y para un objeto $c$,
- $G\eps_{Fc}=G\eps_{\eta_c}=\eta_c$ y por tanto $G\eps F=\eta$.
+ funtor. Por otro lado, $G$ claramente es un funtor y $\eps$, que viene dado
+ por $\eps_e\coloneqq e:\mu_c\to e$ para cada $e:Tc\to c$, es una
+ transformación natural. Además, dada una $T$-álgebra $e:Tc\to c$,
+ $G\eps_e\circ\eta_{Ge}=e\circ\eta_c=1$, y dado un objeto $c$ de $\cC$,
+ $\eps_{Fc}\circ F\eta_c=\mu_c\circ T\eta_c=1$, luego $(F,G,\eta,\eps)$ es una
+ adjunción. Finalmente, es obvio que $G\circ F=T$ siguiendo su actuación sobre
+ morfismos, y para un objeto $c$, $G\eps_{Fc}=G\eps_{\eta_c}=\eta_c$ y por
+ tanto $G\eps F=\eta$.
\end{proof}
La adjunción definida en este teorema es final en el sentido siguiente.
@@ -282,30 +285,29 @@ La adjunción definida en este teorema es final en el sentido siguiente.
$(F,G,\eta,\eps)$ a $(F',G',\eta,\eps')$.
\end{theorem}
\begin{proof}
- Ya tenemos $1\eta=\eta1$, y debemos ver que $G=G'\circ K$ y $F'=K\circ F$.
- Sea $(T,\eta,\mu)=(GF,\eta,G\eps F)$ la mónada. Para cada objeto $d$ de $\cD$,
- $G\eps_d:GFGd\to Gd$ se puede ver como una $T$-álgebra en el objeto $Gd$, pues
- la propiedad asociativa $G\eps_d\circ GFG\eps_d=\eps_d\circ G\eps_{FGd}$ es
- por la identidad en la composición horizontal y la unitaria
- $G\eps_d\circ\eta_{Gd}=1$ es una identidad de las adjunciones. Podemos
- entonces definir $K$ sobre objetos como $Kd=G\eps_d$ y sobre morfismos como
- $Kf=Gf$, $Kf$ es un morfismo de $T$-álgebras por la naturalidad de
- $\eps$. Para cada objeto $c$ de $\cC$, $KFc=G\eps_{Fc}=\mu_c=F'c$, y para cada
- morfismo $f$, $KFf=GFf=Tf=F'c$. Del mismo modo, para cada objeto $d$ de $\cD$,
+ Ya tenemos $1\eta=\eta1$, y queda ver las condiciones $G=G'\circ K$ y
+ $F'=K\circ F$. Sea $(T,\eta,\mu)=(GF,\eta,G\eps F)$ la mónada, para cada
+ objeto $d$ de $\cD$, podemos ver $G\eps_d:GFGd\to Gd$ como una $T$-álgebra en
+ el objeto $Gd$, pues la propiedad asociativa
+ $G\eps_d\circ GFG\eps_d=\eps_d\circ G\eps_{FGd}$ se deduce de la identidad en
+ la composición horizontal y la unitaria $G\eps_d\circ\eta_{Gd}=1$ es una
+ identidad de las adjunciones. Podemos entonces definir $K$ sobre objetos como
+ $Kd=G\eps_d$, y sobre morfismos como $Kf=Gf$, pues la naturalidad de $\eps$
+ asegura que $Gf$ es un morfismo de $T$-álgebras. Para cada objeto $c$ de
+ $\cC$, $KFc=G\eps_{Fc}=\mu_c=F'c$, y para cada morfismo $f$,
+ $KFf=GFf=Tf=F'c$. Del mismo modo, para cada objeto $d$ de $\cD$,
$G'Kd=G'G\eps_d=Gd$, y para cada morfismo $f$, $G'Kf=G'Gf=Gf$.
- Queda ver que $K$ es única. Si $d$ es un objeto de $\cD$, $Kd$ es una
- $T$-álgebra y $G'Kd=Gd$ implica que el objeto subyacente a $Kd$ es $Gd$, y si
- $f$ es un morfismo, $G'Kf=Gf$ implica que $Kf=Gf$. Ahora bien, las dos
- adjunciones consideradas tienen el mismo $\eta$, con lo que la caracterización
+ Queda ver que $K$ es único. Si $d$ es un objeto de $\cD$, $Kd$ debe ser una
+ $T$-álgebra con objeto subyacente $Gd$, pues $G'Kd=Gd$. Por otro lado, si $f$
+ es un morfismo, $G'Kf=Gf$ implica que $Kf=Gf$. Ahora bien, la caracterización
de las transformaciones de adjunciones (\ref{prop:adj-transform}) aplicada a
- estas dos adjunciones y a los funtores $1:\cC\to\cC$ y $K:\cD\to\cC^T$ nos da
- $K\eps=\eps'K$, y entonces, para un objeto $d$, el mapa de estructura de $Kd$
- es $Kd=\eps'_{Kd}=K\eps_d=G\eps_d$.
+ $(1_\cC,K)$ nos da $K\eps=\eps'K$, y entonces, para un objeto $d$, el mapa de
+ estructura de $Kd$ es $Kd=\eps'_{Kd}=K\eps_d=G\eps_d$.
\end{proof}
-El que estas categorías son una generalización de las variedades algebraicas
-viene dado
+La siguiente proposición muestra que, de hecho, estas categorías son una
+generalización del concepto de variedad algebraica.
\begin{proposition}
Sean $(\Omega,E)\dash\bAlg$ una variedad algebraica y $T$ la mónada generada
@@ -314,16 +316,17 @@ viene dado
anterior es un isomorfismo de categorías.
\end{proposition}
\begin{proof}
- Sean $s_1,\dots,s_k$ las operaciones en $\Omega$, con aridades respectivas
- $n_1,\dots,n_k$, y sea $(F,U,\eta,\eps)$ la adjunción mencionada, de modo que
- $T=(UF,\eta,G\eps F)$, queremos definir un isomorfismo
- $K:(\Omega,E)\dash\bAlg\to\cC^T$ en las condiciones del teorema anterior.
+ Sean $s_1,\dots,s_k$ las operaciones en $\Omega$ y $n_1,\dots,n_k$ sus
+ aridades respectivas, y sea $(F,U,\eta,\eps)$ la adjunción mencionada, de modo
+ que $T=(UF,\eta,U\eps F)$.
Si $(S,(\nu_1,\dots,\nu_k))$ es una $(\Omega,E)$-álgebra, con cada
$\mu_i:S^{n_i}\to S$, los elementos de $UFS$ son las (clases de equivalencia
- de) expresiones formales con operadores $s_1,\dots,s_k$ y elementos de $c$,
- por lo que podemos definir $K(S,(\nu_i)_i)$ como la <<función de evaluación>>
- $UFS\to S$ por los operadores $\nu_1,\dots,\nu_k$.
+ de) expresiones formales construidas a partir de los operadores
+ $s_1,\dots,s_k$ y los elementos de $c$, por lo que podemos definir
+ $K(S,(\nu_i)_i)$ como la <<función de evaluación>> $e:UFS\to S$ que lleva cada
+ elemento de $c$ a sí mismo y cada expresión $s_i(x_1,\dots,x_{n_i})$ a
+ $\nu_i(e(x_1),\dots,e(x_{n_i}))$.
En este contexto, la propiedad asociativa de las $T$-álgebras nos dice que,
dada una expresión formal sobre expresiones formales sobre elementos de $S$,
@@ -337,7 +340,7 @@ viene dado
$s_i(x_1,\dots,x_{n_i})$ con los $x_j\in S$, lo que nos da una serie de
operaciones $\nu_i:S^{n_i}\to S$ que, además, cumplen las igualdades en $E$ al
estar $e$ definida sobre clases de equivalencia, de modo que estas igualdades
- definen una $(\Omega,E)$-álgebra y claramente $K$ es biyectiva sobre objetos.
+ definen una $(\Omega,E)$-álgebra y $K$ es biyectiva sobre objetos.
Para los morfismos $f:(S,(\nu_i)_i)\to(S',(\nu'_i)_i)$, podemos definir
$Kf:S\to S'$ como la propia $f$, que es un morfismo
@@ -346,8 +349,8 @@ viene dado
propiedad conmutativa que define los morfismos de $T$-álgebras es precisamente
la que define los morfismos de $(\Omega,E)$-álgebras.
- Así, $K$ es un isomorfismo, pero $K$ se ha definido de igual forma que en la
- prueba del teorema anterior, por lo que es el mismo $K$.
+ Así, $K$ es un isomorfismo, y claramente esta definición de $K$ coincide con
+ la del teorema anterior.
\end{proof}
\section{Categorías de Kleisli}
@@ -355,9 +358,9 @@ viene dado
Hemos visto que, dada una mónada en una categoría $\cC$, la adjunción de
Eilenberg-Moore asociada es un objeto final de la categoría de las adjunciones
que definen dicha mónada junto con las transformaciones de mónadas que son la
-identidad en $\cC$. Dicha categoría también tiene un objeto inicial, la
-categoría de Kleisli, que como veremos en el siguiente capítulo es de gran
-importancia en teoría de la computación.
+identidad en $\cC$. Vamos a ver que esta categoría de adjunciones tiene también
+un objeto inicial, la categoría de Kleisli, de gran importancia en teoría de la
+computación.
\begin{definition}
Dada una mónada $(T,\eta,\mu)$ en $\cC$, llamamos \conc{categoría de Kleisli}
@@ -378,8 +381,8 @@ importancia en teoría de la computación.
% $f\hat\circ\eta_x=\mu_y\circ Tf\circ\eta_x=\mu_y\circ\eta_{Ty}\circ f=f$ y
% $\eta_y\hat\circ f=\mu_y\circ T\eta_y\circ f=f$.
-Es fácil comprobar que estas definiciones de composición e identidad son válidas
-y definen una categoría.
+Es rutinario comprobar que estas definiciones de composición e identidad definen
+una categoría.
\begin{theorem}
Sea $(T,\eta,\mu)$ una mónada en $\cC$. Si $F:\cC\to\cC_T$ lleva los objetos a
@@ -422,10 +425,10 @@ y definen una categoría.
Queda ver que $L$ es única. Claramente lo es sobre objetos. Sobre morfismos,
la caracterización de las transformaciones de adjunciones
(\ref{prop:adj-transform}) nos da $L\eps'=\eps L$, por lo que para cada objeto
- $c$, $L\eps'_c=\eps_{Lc}=\eps_{Fc}$. Ahora bien, si $L,L':\cC_T\to\cD$ son dos
- funtores que cumplen la condición, por igualación $L\eps'_c=L'\eps'_c$ y, por
- ser $\eps'_c$ una flecha universal desde un funtor, es un retracto y por tanto
- un epimorfismo, con lo que $L=L'$.
+ $c$, $L\eps'_c=\eps_{Lc}=\eps_{Fc}$. Entonces, si $L,L':\cC_T\to\cD$ son dos
+ funtores que cumplen la condición, por igualación $L\eps'_c=L'\eps'_c$, pero
+ $\eps'_c$ una flecha universal desde un funtor y por tanto es un retracto y un
+ epimorfismo, con lo que $L=L'$.
\end{proof}
%%% Local Variables: