Agda大序数(7*) 低阶不动点

Agda大序数(7*) 低阶不动点

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目录: NonWellFormed.html
本文源码: Fixpoint/Lower.lagda.md
高亮渲染: Fixpoint.Lower.html

本章是关于不动点的一些平凡的例子, 与主线无关, 可以跳过.

{-# OPTIONS --without-K --safe --experimental-lossy-unification #-}

前置

open import NonWellFormed.Ordinal
open NonWellFormed.Ordinal.≤-Reasoning
open import NonWellFormed.WellFormed
open import NonWellFormed.Function
open import NonWellFormed.Recursion
open import NonWellFormed.Arithmetic
open import NonWellFormed.Fixpoint

open import Data.Nat as  using (; zero; suc)
open import Data.Product using (Σ; _×_; _,_; proj₁; proj₂)

本章的所有内容都是参数化到某序数 ξ 上的.

module NonWellFormed.Fixpoint.Lower {ξ : Ord} where

加法不动点

我们知道 +_ 是序数嵌入, 因此存在 +_ 的不动点, 我们记作 σ.

σ : Ord  Ord
σ = (ξ +_) 

σ-fp :  α  (σ α) isFixpointOf (ξ +_)
σ-fp α = ′-fp (+-normal ξ) α

+_ 的最小不动点可以表示为序数乘法. 非形式地, σ zero... + ξ + ξξ * ω.

σ₀ : σ zero  ξ * ω
σ₀ = l≈l helper where
  helper :  {n}  rec _+_ ξ from zero by  n   ξ *  n 
  helper {zero}  = ≈-refl
  helper {suc n} =                        begin-equality
    ξ + (rec (ξ +_) from zero by  n )   ≈⟨ +-congˡ helper 
    ξ + ξ *  n                          ≈⟨ +-assoc-n ξ n 
    ξ *  n  + ξ                         ≡⟨⟩
    ξ * suc  n                          

σ α 的下一个不动点就是 σ α 的后继.

σ⋱ₛ :  α  σ (suc α)  suc (σ α)
σ⋱ₛ α = l≤ helper , <⇒s≤ (<-mono <s) where
  helper :  n  rec (ξ +_) from suc (σ α) by  n   suc (σ α)
  helper zero    = ≤-refl
  helper (suc n) =                           begin
    ξ + (rec (ξ +_) from suc (σ α) by  n ) ≤⟨ +-monoʳ-≤ ξ (helper n) 
    ξ + suc (σ α)                            ≡⟨⟩
    suc (ξ + σ α)                            ≤⟨ s≤s (proj₁ (σ-fp α)) 
    suc (σ α)                                
  <-mono = proj₁ (proj₂ (′-normal (+-normal ξ)))

于是 σ 可以完全用序数算术表示.

σ≈ :  α  σ α  ξ * ω + α
σ≈ zero    = σ₀
σ≈ (suc α) =      begin-equality
  σ (suc α)       ≈⟨ σ⋱ₛ α 
  suc (σ α)       ≈⟨ s≈s (σ≈ α) 
  suc (ξ * ω + α) ≡⟨⟩
  ξ * ω + suc α   
σ≈ (lim f) = l≈l (σ≈ _)

乘法不动点

与加法不动点不同的是乘法要求 ξ 大于 1, 不然每个序数都是平凡的不动点.

module _  ξ>1 : ξ >  1   where

  instance
    ξ>0 : ξ > zero
    ξ>0 = <-trans <s ξ>1

    ξ≥1 : ξ   1 
    ξ≥1 = <⇒≤ ξ>1

  ξ*-normal : normal (ξ *_)
  ξ*-normal = *-normal ξ

由于 *_ 是序数嵌入, 因此存在 *_ 的不动点, 我们记作 π.

  π : Ord  Ord
  π = (ξ *_) 

  π-fp :  α  (π α) isFixpointOf (ξ *_)
  π-fp α = ′-fp ξ*-normal α

此外, 由序数算术定律, 可以证明 ξ ^ ω 也是 ξ *_ 的不动点.

  ξ^ω-fp : (ξ ^ ω) isFixpointOf (ξ *_)
  ξ^ω-fp =                    begin-equality
    lim  n  ξ * ξ ^  n ) ≈⟨ l≈l (*-assoc-n ξ _) 
    lim  n  ξ ^  suc n ) ≈˘⟨ l≈ls (^-monoʳ-≤ ξ ≤s) 
    lim  n  ξ ^  n )     

我们接下来将建立 πξ ^ ω 的联系. 首先, 乘法的最小不动点是平凡的零.

  π₀ : π zero  zero
  π₀ = l≤ helper , z≤ where
    helper :  n  rec _*_ ξ from zero by  n   zero
    helper zero    = ≤-refl
    helper (suc n) =                     begin
      ξ * (rec _*_ ξ from zero by  n ) ≤⟨ *-monoʳ-≤ ξ (helper n) 
      ξ * zero                           ≡⟨⟩
      zero                               

因此我们还要额外考察 π ⌜ 1 ⌝.

  π₁ : π  1   ξ ^ ω
  π₁ = ⋱ₛ-suc ξ*-normal _ _ π₀<ξ^ω ξ^ω-fp , l≤ ξ^n≤π₁ where
    π₀<ξ^ω =              begin-strict
      π zero              ≈⟨ π₀ 
      zero                <⟨ <s 
      ξ ^ zero            ≤⟨ f≤l {n = 0} 
      ξ ^ ω               
    ξ^n≤π₁ :  n  ξ ^  n   π  1 
    ξ^n≤π₁ zero    =      begin
       1                ≤⟨ s≤s (proj₂ π₀) 
      suc ((ξ *_)  zero) ≤⟨ f≤l {n = 0} 
      π  1              
    ξ^n≤π₁ (suc n) =      begin
      ξ ^ suc  n        ≡⟨⟩
      ξ ^  n  * ξ       ≈˘⟨ *-assoc-n ξ n 
      ξ * ξ ^  n        ≤⟨ *-monoʳ-≤ ξ (ξ^n≤π₁ n) 
      ξ * π  1          ≈⟨ π-fp  1  
      π  1              

然后, π α 的下一个不动点是 π απ ⌜ 1 ⌝ 的和.

  π⋱ₛ :  α  π (suc α)  π α + ξ ^ ω
  π⋱ₛ α = ⋱ₛ-suc ξ*-normal _ _ πα<πα+ξ^ω πα+ξ^ω-fp , l≤ helper where
    πα<πα+ξ^ω = +-incrʳ-< _ ^>0 _
    πα+ξ^ω-fp =               begin-equality
      ξ * (π α + ξ ^ ω)       ≈⟨ *-distribˡ-+ ξ _ _ 
      ξ * π α + ξ * ξ ^ ω     ≈⟨ +-congˡ ξ^ω-fp 
      ξ * π α + ξ ^ ω         ≈⟨ +-congʳ {ξ ^ ω} (π-fp α) 
      π α + ξ ^ ω             
    helper :  n  π α + ξ ^  n   π (suc α)
    helper zero =             begin
      π α + ξ ^ zero          ≈⟨ +-congˡ {π α} ≈-refl 
      suc (π α)               ≤⟨ <⇒s≤ (<-mono <s) 
      π (suc α)               
      where <-mono = proj₁ (proj₂ (′-normal ξ*-normal))
    helper (suc n) =          begin
      π α + ξ ^  suc n      ≈˘⟨ +-congˡ (*-assoc-n ξ n) 
      π α + ξ * ξ ^  n      ≈˘⟨ +-congʳ (π-fp α) 
      ξ * π α + ξ * ξ ^  n  ≈˘⟨ *-distribˡ-+ ξ _ _ 
      ξ * (π α + ξ ^  n )   ≤⟨ *-monoʳ-≤ ξ (helper n) 
      ξ * π (suc α)           ≈⟨ π-fp (suc α) 
      π (suc α)               

于是 π 也可以用序数算术表示.

  π≈ :  α  π α  ξ ^ ω * α
  π≈ zero    = π₀
  π≈ (suc α) =        begin-equality
    π (suc α)         ≈⟨ π⋱ₛ α 
    π α + ξ ^ ω       ≈⟨ +-congʳ {ξ ^ ω} (π≈ α) 
    ξ ^ ω * α + ξ ^ ω ≡⟨⟩
    ξ ^ ω * suc α     
  π≈ (lim x) = l≈l (π≈ _)

幂运算不动点

同样地, 由于 ^_ 是序数嵌入, 因此存在 ^_ 的不动点, 它就是著名的 ε 数, 我们将在下一章介绍. 与 σπ 不同的是 ε 不存在自下而上的算术表示, 因此它更具意义.