11

阅读《Learn you a Haskell For Great Good》一书和非常有用的 wiki 书籍文章Haskell Category Theory帮助我克服了将类别对象与编程对象混淆的常见类别错误,我仍然有以下问题:

为什么必须fmap映射列表的每个元素?

我喜欢它,我只是想了解这在理论上是如何合理的。(或者也许更容易证明使用 HoTT 的合理性?)

在 Scala 表示法中,List是一个函子,它接受任何类型并将其映射到所有列表类型集合中的类型,例如,它将类型映射到Int类型List[Int],并将函数映射到Int例如

  • Int.successor: Int => IntFunctor[List].fmap(successor) : List[Int] => List[Int]
  • Int.toString: Int => StringFunctor[List].fmap(toString): List[Int] => List[String]

现在每个实例List[X]都是一个带有empty函数mempty在 Haskell 中)和combine函数mappend在 Haskell 中)的幺半群。我的猜测是,可以使用 Lists 是 Monoids 的事实来表明map必须映射列表的所有元素。我的感觉是,如果添加pureApplicative 中的函数,这会给我们一个列表,其中只有一个其他类型的元素。例如Applicative[List[Int]].pure(1) == List(1)。由于map(succ)在这些元素上为我们提供了带有下一个元素的单例列表,因此这涵盖了所有这些子集。然后我想combine所有这些单例的函数为我们提供了列表的所有其他元素。不知何故,我认为这限制了地图的工作方式。

另一个建议性的论点是map必须在列表之间映射函数。由于 aList[Int]中的每个元素都是 Int 类型,如果一个映射到List[String]一个必须映射它的每个元素,否则一个将不是正确的类型。

因此,这两个论点似乎都指向了正确的方向。但我想知道剩下的路需要什么。

反例?

为什么这不是反例 map 函数?

def map[X,Y](f: X=>Y)(l: List[X]): List[Y] = l match {
  case Nil => Nil
  case head::tail=> List(f(head))
}

似乎遵守规则

val l1 = List(3,2,1)
val l2 = List(2,10,100)

val plus2 = (x: Int) => x+ 2
val plus5 = (x: Int) => x+5

map(plus2)(List()) == List()
map(plus2)(l1) == List(5)
map(plus5)(l1) == List(8)

map(plus2 compose plus5)(l1) == List(10)
(map(plus2)_ compose map(plus5)_)(l1) == List(10)

啊。但它不符合身份证法。

def id[X](x: X): X = x

map(id[Int] _)(l1) == List(3)
id(l1) == List(3,2,1)
4

1 回答 1

11

这依赖于称为“参数性”的理论结果,该结果首先由雷诺兹定义,然后由瓦德勒(以及其他人)开发。也许关于这个主题最著名的论文是“免费定理!” 由瓦德勒。

关键思想是,仅从函数的多态类型中我们可以获得有关函数语义的一些信息。例如:

foo :: a -> a

仅从这个类型我们就可以看出,如果foo终止,就是恒等函数。直观地说,foo不能区分不同a的 s,因为在 Haskell 中我们没有例如 Javainstanceof可以检查实际运行时类型。相似地,

bar :: a -> b -> a

必须返回第一个参数。并且baz :: a -> a -> a必须返回第一个或第二个。并且quz :: a -> (a -> a) -> a必须将函数应用于第一个参数的固定次数。你现在可能明白了。

可以从类型推断出的一般属性是相当复杂的,但幸运的是它可以机械地计算出来。在范畴论中,这与自然变换的概念有关。

对于该map类型,我们得到以下可怕的属性:

forall t1,t2 in TYPES, f :: t1 -> t2.
 forall t3,t4 in TYPES, g :: t3 -> t4.
  forall p :: t1 -> t3.
   forall q :: t2 -> t4.
    (forall x :: t1. g (p x) = q (f x))
    ==> (forall y :: [t1].
          map_{t3}_{t4} g (map2_{t1}_{t3} p y) =
          map2_{t2}_{t4} q (map_{t1}_{t2} f y))

上面,map是众所周知的 map 函数,而map2是任何具有 type 的任意函数(a -> b) -> [a] -> [b]

现在,进一步假设map2满足函子定律,特别是map2 id = id. 然后我们可以选择p = idt3 = t1。我们得到

forall t1,t2 in TYPES, f :: t1 -> t2.
 forall t4 in TYPES, g :: t1 -> t4.
   forall q :: t2 -> t4.
    (forall x :: t1. g x = q (f x))
    ==> (forall y :: [t1].
          map_{t1}_{t4} g (map2_{t1}_{t1} id y) =
          map2_{t2}_{t4} q (map_{t1}_{t2} f y))

在 上应用函子定律map2

forall t1,t2 in TYPES, f :: t1 -> t2.
 forall t4 in TYPES, g :: t1 -> t4.
   forall q :: t2 -> t4.
    (forall x :: t1. g x = q (f x))
    ==> (forall y :: [t1].
          map_{t1}_{t4} g y =
          map2_{t2}_{t4} q (map_{t1}_{t2} f y))

现在,让我们选择t2 = t1and f = id

forall t1 in TYPES.
 forall t4 in TYPES, g :: t1 -> t4.
   forall q :: t1 -> t4.
    (forall x :: t1. g x = q x)
    ==> (forall y :: [t1].
          map_{t1}_{t4} g y =
          map2_{t1}_{t4} q (map_{t1}_{t1} id y))

根据 的函子定律map

forall t1, t4 in TYPES.
   forall g :: t1 -> t4, q :: t1 -> t4.
    g = q
    ==> (forall y :: [t1].
          map_{t1}_{t4} g y =
          map2_{t1}_{t4} q y)

意思是

forall t1, t4 in TYPES.
 forall g :: t1 -> t4.
    (forall y :: [t1].
          map_{t1}_{t4} g y =
          map2_{t1}_{t4} g y)

意思是

forall t1, t4 in TYPES.
          map_{t1}_{t4} = map2_{t1}_{t4}

加起来:

如果map2是任何具有多态类型的函数(a -> b) -> [a] -> [b],并且满足第一函子定律map2 id = id,则map2必须等价于标准map函数。

另请参阅Edward Kmett 的相关博客文章

请注意,在 Scala 中,仅当您不使用x.isInstanceOf[], 和其他可能破坏参数性的反射工具时,上述内容才成立。

于 2016-04-19T11:08:28.570 回答