a. simpson. categorial completeness

8/12/2019 A. Simpson. Categorial Completeness

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C a t e g o r i c a l c o m p l e t e n e s s r e s u l t s f o r t h e

s i m p l y - t y p e d l a m b d a - c a l c u l u s

A l e x K . S i m p s o n

L F C S , D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f E d i n b u r g h ,

J C M B , T h e K i n g ' s B u i l d i n g s , E d i n b u r g h , E H 9 3 J Z

E m a i l : A l e x . S i m p s o n @ d c s . e d . a c . u k

A b s t r a c t . W e i n v e s t i g a t e , i n a c a t e g o r i c a l s e t t i n g , s o m e c o m p l e t e n e s s

p r o p e r t i e s o f b e t a - e t a c o n v e r s i o n b e t w e e n c l o s e d t e r m s o f t h e s i m p l y -

t y p e d l a m b d a c a l c u l u s . A c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r y i s s a i d t o b e c o m p l e t e

i f , f o r a n y t w o u n c o n v e r t i b l e t e r m s , t h e r e i s s o m e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e

c a l c u l u s i n t h e c a t e g o r y t h a t d i s t i n g u i s h e s t h e m . I t i s s a i d t o h a v e a

c o m p l e t e i n t e r p r e t a t i o n i f t h e r e i s s o m e i n t e r p r e t a t i o n t h a t e q u a t e s o n l y

i n t e r c o n v e r t i b l e t e r m s . W e g i v e s i m p l e n e c e s s a r y a n d s u c i e n t c o n d i t i o n s

o n t h e c a t e g o r y f o r e a c h o f t h e t w o f o r m s o f c o m p l e t e n e s s t o h o l d . T h e

c l a s s i c c o m p l e t e n e s s r e s u l t s o f , e . g . , F r i e d m a n a n d P l o t k i n a r e i m m e d i a t e

c o n s e q u e n c e s . A s a n o t h e r a p p l i c a t i o n , w e d e r i v e a s y n t a c t i c t h e o r e m o f

S t a t m a n c h a r a c t e r i z i n g b e t a - e t a c o n v e r s i o n a s a m a x i m u m c o n s i s t e n t

c o n g r u e n c e r e l a t i o n s a t i s f y i n g a p r o p e r t y k n o w n a s t y p i c a l a m b i g u i t y .

1 I n t r o d u c t i o n

I n 1 9 7 0 F r i e d m a n p r o v e d t h a t b e t a - e t a c o n v e r s i o n i s c o m p l e t e f o r d e r i v i n g a l l

e q u a l i t i e s b e t w e e n t h e ( s i m p l y - t y p e d ) l a m b d a - d e n a b l e f u n c t i o n a l s i n t h e c a t -

e g o r y S e t 5 ] . ( I n c i d e n t a l l y , t h i s r e s u l t w a s i n d e p e n d e n t l y d i s c o v e r e d b y P l o t k i n

1 0 ] , p u b l i s h e d i n 1 1 ] . ) H o w e v e r , i n c o m p u t e r s c i e n c e o n e i s o f t e n i n t e r e s t e d

i n i n t e r p r e t a t i o n s i n o t h e r c a r t e s i a n c l o s e d c a t e g o r i e s ( s u c h a s t h e c a t e g o r y o f

c o m p l e t e p a r t i a l o r d e r s a n d c o n t i n u o u s f u n c t i o n s ) . I t i s n a t u r a l t o a s k w h e t h e r

s i m i l a r c o m p l e t e n e s s r e s u l t s a l s o h o l d i n s u c h c a s e s . F o r t h e c a t e g o r y o f c o m -

p l e t e p a r t i a l o r d e r s , P l o t k i n w a s a b l e t o e x t e n d F r i e d m a n ' s a r g u m e n t a n d s h o w

t h a t c o m p l e t e n e s s d o e s i n d e e d s t i l l h o l d ( s e e 9 , T h e o r e m 5 . 2 . 2 8 ] ) . M o r e r e c e n t l y ,

B e r g e r a n d S c h w i c h t e n b e r g u s e d d i e r e n t t e c h n i q u e s t o s h o w t h a t c o m p l e t e n e s s

h o l d s r e l a t i v e t o a n y m o d e l c a p a b l e o f f a i t h f u l l y r e p r e s e n t i n g c e r t a i n b a s i c o p e r -

a t i o n s o n s y n t a x 3 ] .

I n t h i s p a p e r w e i n v e s t i g a t e s u c h c o m p l e t e n e s s q u e s t i o n s i n a c a t e g o r i c a l

s e t t i n g . A s i s w e l l k n o w n , c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r i e s ( C C C s ) p r o v i d e a g e n e r a l

n o t i o n o f m o d e l f o r t h e s i m p l y - t y p e d l a m b d a c a l c u l u s . W e a s k u n d e r w h a t c o n d i -

t i o n s o n a C C C , C , d o e s b e t a - e t a c o n v e r s i o n d e r i v e a l l e q u a l i t i e s b e t w e e n t e r m s

w h i c h a r e t r u e i n C . A c t u a l l y , t h i s q u e s t i o n i s n o t y e t w e l l d e n e d , a s d i e r e n t

i n t e r p r e t a t i o n s o f b a s e t y p e s i n C m i g h t i n d u c e d i e r e n t e q u a l i t i e s . T h u s t h e r e

a r e t w o n a t u r a l s t r e n g t h s o f c o m p l e t e n e s s . T h e w e a k e r f o r m h o l d s w h e n b e t a - e t a

c o n v e r s i o n d e r i v e s a l l t h o s e e q u a l i t i e s b e t w e e n t e r m s w h i c h a r e t r u e u n d e r a l l


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i n t e r p r e t a t i o n s i n C . T h e s t r o n g e r f o r m h o l d s w h e n t h e r e i s a s i n g l e i n t e r p r e t a -

t i o n t h a t e q u a t e s o n l y t e r m s t h a t a r e b e t a - e t a c o n v e r t i b l e . I n t h i s p a p e r w e g i v e

n e c e s s a r y a n d s u c i e n t c o n d i t i o n s o n C f o r e a c h o f t h e f o r m s o f c o m p l e t e n e s s t o

h o l d ( T h e o r e m s 1 a n d 2 ) . T h e c o n d i t i o n s t u r n o u t t o b e s i m p l e o n e s t h a t a r e e a s -

i l y c h e c k e d i n p a r t i c u l a r c a s e s . M o r e o v e r , t h e y s h o w t h e f a i l u r e o f c o m p l e t e n e s s

t o b e t h e e x c e p t i o n r a t h e r t h a n t h e r u l e .

A s a n a p p l i c a t i o n , w e u s e T h e o r e m 1 t o o b t a i n S t a t m a n ' s 1 6 ] c h a r a c t e r i z -

a t i o n o f b e t a - e t a c o n v e r t i b i l i t y a s a m a x i m a l l y c o n s i s t e n t c o n g r u e n c e r e l a t i o n

s a t i s f y i n g t y p i c a l a m b i g u i t y ( T h e o r e m 3 ) . I n d e e d , a s w i l l b e s e e n , o u r w o r k i s

c l o s e l y r e l a t e d t o , a n d a l s o h e a v i l y d e p e n d e n t u p o n , s o m e f u n d a m e n t a l s y n t a c t i c

w o r k o f S t a t m a n . W e s h a l l d i s c u s s t h i s d e p e n d e n c y f u r t h e r i n S e c t i o n 7 .

2 P r e l i m i n a r i e s

I n o r d e r t o h a v e a t i g h t c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e l a m b d a - c a l c u l u s a n d c a r t e s i a n -

c l o s e d c a t e g o r i e s w e w o r k w i t h a c a l c u l u s w i t h n i t e p r o d u c t t y p e s . W e u s e

: : : t o r a n g e o v e r a n o n - e m p t y s e t o f b a s e t y p e s , X , c o n t a i n i n g a d i s t i n -

g u i s h e d b a s e t y p e , 0 . W e u s e : : : t o r a n g e o v e r t y p e s w h i c h c o m p r i s e : b a s e

t y p e s , f u n c t i o n t y p e s ! , ( b i n a r y ) p r o d u c t t y p e s , a n d a u n i t t y p e 1

W e w o r k w i t h e x p l i c i t l y t y p e d v a r i a b l e s x

y

: : : a l t h o u g h w e o f t e n o m i t t y p e

l a b e l s f o r c o n v e n i e n c e . W e u s e U V : : : t o r a n g e o v e r o p e n t e r m s w h i c h a r e g i v e n

b y t h e g r a m m a r :

U = x

x

U U ( V ) h U V i

1

( U )

2

( U )

( w h e r e h U V i a n d

i

( U ) a r e p a i r i n g a n d p r o j e c t i o n f o r p r o d u c t t y p e s a n d i s

t h e c a n o n i c a l e l e m e n t o f 1 ) s u b j e c t t o t h e u s u a l t y p i n g c o n s t r a i n t s . E a c h t e r m

h a s a u n i q u e t y p e a n d w e w r i t e U

t o m e a n t h a t t h e t y p e o f U i s . W e u s e

L M N : : : t o r a n g e o v e r c l o s e d t e r m s . W e w r i t e

X

f o r t h e s e t o f c l o s e d t e r m s .

W e w r i t e

!

X

f o r t h o s e t e r m s i n

X

t h a t a r e t e r m s o f t h e u s u a l p u r e f u n c t i o n a l l y

t y p e d l a m b d a - c a l c u l u s ( i . e . t h o s e t e r m s a l l o f w h o s e s u b t e r m s h a v e t y p e s b u i l t

f r o m X u s i n g ! ) . W e a d o p t s t a n d a r d c o n v e n t i o n s s u c h a s a s s o c i a t i n g ! t o t h e

r i g h t a n d a p p l i c a t i o n t o t h e l e f t . W e a l s o u s e e v i d e n t n o t a t i o n f o r p r o d u c t s o f

a r b i t r a r y n i t e a r i t y , t h e i r t u p l e s a n d p r o j e c t i o n s .

W e a s s u m e t h a t t h e r e a d e r i s a c q u a i n t e d w i t h t h e r u l e s f o r b e t a - e t a c o n v e r t -

i b i l i t y , =

, b e t w e e n t e r m s o f i d e n t i c a l t y p e ( s e e , e . g , 1 , 4 , 7 ] ) . T w o c l a s s e s o f

t e r m s , t h e n e u t r a l t e r m s a n d t h e l o n g - n o r m a l f o r m s , a r e d e n e d b y m u t u a l

i n d u c t i o n . A t e r m i s n e u t r a l i f i t h a s o n e o f t h e f o l l o w i n g f o r m s : x

o r U ( V )

w h e r e U i s n e u t r a l a n d V i s i n l o n g - n o r m a l f o r m o r

i

( U ) w h e r e U i s n e u t r a l .

A t e r m i s i n l o n g - n o r m a l f o r m i f i t h a s o n e o f t h e f o l l o w i n g f o r m s : U

w h e r e

U i s n e u t r a l ( n o t e t h e r e s t r i c t i o n t o a b a s e t y p e ) o r x

U w h e r e U i s i n l o n g -

n o r m a l f o r m o r h U V i w h e r e U a n d V a r e b o t h i n l o n g - n o r m a l f o r m o r

T h e i m p o r t a n t f a c t a b o u t l o n g - n o r m a l f o r m s i s t h a t , f o r e v e r y t e r m U , t h e r e

i s a u n i q u e l o n g - n o r m a l f o r m , ( U ) , s u c h t h a t U =

( U ) ( s e e 1 , 4 , 7 ] ) .

B y t h i s c h a r a c t e r i z a t i o n i t i s c l e a r t h a t =

b e t w e e n t e r m s i n

X

i s c o n s e r v a t i v e

o v e r t h e u s u a l b e t a - e t a c o n v e r t i b i l i t y b e t w e e n t e r m s i n

!

X


3/14

L e t C b e a c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r y w i t h d i s t i n g u i s h e d : t e r m i n a l o b j e c t , 1

b i n a r y p r o d u c t s , A B a n d e x p o n e n t i a l s , B

A

. ( W e d o n o t a s s u m e t h a t C h a s a l l

n i t e l i m i t s . ) A n i n t e r p r e t a t i o n o f t h e c a l c u l u s i n C i s d e t e r m i n e d b y a f u n c t i o n

f r o m X t o o b j e c t s o f C . T h i s e x t e n d s ( u s i n g t h e C C C s t r u c t u r e o f C ) t o i n t e r p r e t

a r b i t r a r y t y p e s a s o b j e c t s ] ] o f C . T h e n a c l o s e d t e r m M

i s i n t e r p r e t e d a s a

m o r p h i s m M 2 C ( 1 ] ] ) . ( T h e i n t e r p r e t a t i o n i s d e n e d u s i n g a m o r e g e n e r a l

i n t e r p r e t a t i o n o f o p e n t e r m s , U

, a s m o r p h i s m s f r o m o b j e c t s i n t e r p r e t i n g t h e

c o n t e x t o f f r e e v a r i a b l e s i n U t o ] ] . ) W e w r i t e

X

! C f o r t h e c l a s s o f a l l

i n t e r p r e t a t i o n s o f t h e c a l c u l u s i n C . T h e s o u n d n e s s o f b e t a - e t a c o n v e r s i o n i n

C C C s s a y s t h a t M =

N i m p l i e s t h a t , f o r a l l

X

! C , i t h o l d s t h a t

M ] ] = N ] ] . W e s h a l l b e i n t e r e s t e d i n w h e n t h e c o n v e r s e i m p l i c a t i o n h o l d s , a n d

r e l a t e d q u e s t i o n s .

B e f o r e c o n s i d e r i n g s u c h c o m p l e t e n e s s q u e s t i o n s w e c o n s i d e r t h e c a t e g o r i c a l

f o r m u l a t i o n o f w h a t a n i n t e r p r e t a t i o n o f t h e l a m b d a - c a l c u l u s i n C i s ( s e e 8 ] ) .

T h i s f o r m u l a t i o n i s i n t e r m s o f c a r t e s i a n - c l o s e d f u n c t o r s ( C C - f u n c t o r s ) , w h i c h a r e

t h o s e f u n c t o r s b e t w e e n C C C s t h a t p r e s e r v e t h e c a r t e s i a n - c l o s e d s t r u c t u r e \ o n

t h e n o s e " .

1

L e t F

X

b e t h e f r e e c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r y g e n e r a t e d b y t h e s e t

o f o b j e c t s X . T o g i v e a c o n c r e t e d e s c r i p t i o n , F

X

i s t h e c a t e g o r y w h o s e o b j e c t s

a r e t y p e s a n d w h o s e m o r p h i s m s f r o m t o a r e t h e c l o s e d l o n g - n o r m a l

f o r m s o f t y p e ! . T h e i d e n t i t i e s a n d c o m p o s i t i o n a r e o b t a i n e d a s t h e l o n g -

n o r m a l f o r m s o f t h e e v i d e n t l a m b d a - t e r m s . T h e f r e e n e s s o f F

X

m e a n s t h a t

a n y f u n c t i o n ] ] f r o m X t o o b j e c t s o f C e x t e n d s t o a u n i q u e C C - f u n c t o r , F

f r o m F

X

t o C , w h e r e \ e x t e n d s " m e a n s t h a t F ( ) = ] ] . F u r t h e r , i f w e w r i t e

] ] f o r t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e l a m b d a - c a l c u l u s i n d u c e d b y t h e f u n c t i o n o n X

i t h o l d s t h a t , f o r a l l M

M = F ( ( x

1

M ) ) 2 C ( 1 ] ] ) a n d , f o r a l l l o n g -

n o r m a l f o r m s M

!

t h a t F ( M ) 2 C ( ] ] ) i s t h e e v i d e n t e x p o n e n t i a l

t r a n s p o s e o f M 2 C ( 1

) . T h u s i n t e r p r e t a t i o n s o f t h e l a m b d a - c a l c u l u s i n

C a r e e s s e n t i a l l y e q u i v a l e n t t o C C - f u n c t o r s f r o m F

X

t o C

3 T h e C o m p l e t e n e s s T h e o r e m s

W e n o w d e n e t h e t w o f o r m s o f c o m p l e t e n e s s w e s h a l l b e i n v e s t i g a t i n g . F i r s t t h e

w e a k e r n o t i o n , w h i c h i s t h e d i r e c t c o n v e r s e t o t h e s o u n d n e s s s t a t e m e n t a b o v e .

W e s a y t h a t C i s c o m p l e t e ( f o r =

)

2

i f , f o r a l l M

N

M =

N i f o r a l l

X

! C M ] ] = N

T h i s c o n c e p t h a s a n a t u r a l c a t e g o r i c a l f o r m u l a t i o n . R e c a l l t h a t a c l a s s o f f u n c t o r s

f r o m a c a t e g o r y A t o a c a t e g o r y B i s c o l l e c t i v e l y f a i t h f u l i f , f o r a l l A

f

; ! B a n d

A

g

; ! B i n A , w h e n e v e r i t h o l d s t h a t F ( f ) = F ( g ) f o r a l l f u n c t o r s F i n t h e

1

T h e w h o l e d i s c u s s i o n h e r e c o u l d e a s i l y b e g e n e r a l i z e d t o d e a l w i t h f u n c t o r s p r e s e r v i n g

t h e s t r u c t u r e u p t o i s o m o r p h i s m . S u c h f u n c t o r s a r e c a t e g o r i c a l l y m o r e n a t u r a l , b u t

f o r o u r p u r p o s e s t h e s i m p l e r \ o n t h e n o s e " f u n c t o r s s u c e .

2

I t w o u l d p e r h a p s b e p r e f e r a b l e t o s a y t h a t =

i s c o m p l e t e f o r C , h o w e v e r t h i s i s n o t

s o e a s i l y s h o r t e n e d .


4/14


5/14


6/14

t h e n o n e o b t a i n s :

1

y

0 ! 0

z

0

y

n

( z )

( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0

a n d , b y c o m p l e t e n e s s , i t i s c l e a r t h a t t h e l a t t e r d i e r s f o r d i s t i n c t v a l u e s o f n

I n c i d e n t a l l y , h e r e w e h a v e s h o w n t h a t i t i s a n e c e s s a r y c o n d i t i o n f o r ] ] t o b e

c o m p l e t e t h a t t h e a b o v e e n d o m o r p h i s m i s n o n - r e p e a t i n g . I n S e c t i o n 6 w e s h o w

t h a t t h i s i s n o t i n g e n e r a l a s u c i e n t c o n d i t i o n , e v e n f o r i n t e r p r e t a t i o n s o f

f 0 g

F o r t h e c o n v e r s e i m p l i c a t i o n , g i v e n a n o n - r e p e a t i n g e n d o m o r p h i s m i n C w e

m u s t c o n s t r u c t a f a i t h f u l C C - f u n c t o r f r o m F

X

t o C

P r o p o s i t i o n 1 T h e r e i s a f a i t h f u l C C - f u n c t o r f r o m F

X

t o F

f 0 g

P r o o f . T h e C C - f u n c t o r i s t h a t d e t e r m i n e d b y t h e u n i q u e f u n c t i o n f r o m X

t o f 0 g . T h i s m a p s a n y X - t y p e , , t o t h e f 0 g - t y p e , , o b t a i n e d b y r e p l a c i n g

e v e r y b a s e t y p e w i t h 0 . F o r a n y M

2

X

d e n e M t o b e t h e

f 0 g

- t e r m

o b t a i n e d b y r e p l a c i n g e v e r y v a r i a b l e x

i n M w i t h x

. C l e a r l y M h a s t y p e

F o r f a i t h f u l n e s s i t i s e n o u g h t o s h o w t h a t , f o r a n y t w o d i s t i n c t l o n g - n o r m a l

f o r m s M

N

2

X

, i t h o l d s t h a t M a n d N a r e d i s t i n c t l o n g - n o r m a l f o r m s

i n

f 0 g

. T h i s i s d o n e b y a s t r a i g h t f o r w a r d i n d u c t i o n o n t h e s t r u c t u r e o f l o n g -

n o r m a l f o r m s .

T h u s i t r e m a i n s t o n d a f a i t h f u l C C - f u n c t o r f r o m F

f 0 g

t o C . F o r t h i s w e a p p e a l t o

a d e e p s y n t a c t i c r e s u l t a b o u t t h e ( p u r e f u n c t i o n a l ) s i m p l y - t y p e d l a m b d a - c a l c u l u s

d u e t o S t a t m a n 1 5 , T h e o r e m 3 ] . D e n e > t o b e t h e t y p e ( 0 ! 0 ! 0 ) ! 0 ! 0

P r o p o s i t i o n 2 ( S t a t m a n ) F o r a l l M

N

2

!

f 0 g

, i t h o l d s t h a t M =

N i f

a n d o n l y i f , f o r a l l L

! >

L ( M ) =

L ( N )

A d e t a i l e d p r o o f c a n b e f o u n d i n 1 2 ] . I n c i d e n t a l l y , i n 1 4 , P r o p o s i t i o n 1 ] , S t a t m a n

s h o w s t h a t , f o r e a c h , t h e r e e x i s t s L

! >

, s u c h t h a t M =

N i f a n d o n l y i f

L ( M ) =

L ( N ) , b u t w e d o n o t n e e d t h i s s t r o n g e r r e s u l t h e r e .

P r o p o s i t i o n 3 F o r a l l M

N

2

f 0 g

, i t h o l d s t h a t M =

N i f a n d o n l y i f ,

f o r a l l L

! >

L ( M ) =

L ( N )

P r o o f . L e f t - t o - r i g h t i s t r i v i a l . F o r t h e c o n v e r s e s u p p o s e t h a t M

6=

N

I t

i s e a s i l y s h o w n t h a t i s i s o m o r p h i c ( i n F

f 0 g

) t o a n i t e p r o d u c t

1

n

( w h e r e n 0 ) o f t y p e s

i

b u i l t f r o m 0 u s i n g ! . W e w r i t e f o r t h i s p r o d u c t t y p e

a n d I

!

f o r t h e l a m b d a - t e r m g i v i n g ( o n e h a l f o f ) t h e i s o m o r p h i s m . C l e a r l y

I ( M ) 6=

I ( N ) , s o h

1

( I ( M ) ) : : :

n

( I ( M ) ) i 6=

h

1

( I ( N ) ) : : :

n

( I ( N ) ) i

T h e r e f o r e t h e r e i s s o m e i f o r w h i c h

i

( I ( M ) ) 6=

i

( I ( N ) ) . S o (

i

( I ( M ) ) ) 6=

(

i

( I ( N ) ) ) . B u t t h e s e t e r m s a r e b o t h n o r m a l f o r m s o f t y p e

i

, a n d h e n c e

t h e y a r e t e r m s o f

!

f 0 g

( b e c a u s e a l l s u b t e r m s o f a n o r m a l f o r m h a v e s u b t y p e s o f

i t s t y p e ) . S o , b y P r o p o s i t i o n 2 , t h e r e e x i s t s L

i

! >

s u c h t h a t L (

i

( I ( M ) ) ) 6=

L (

i

( I ( N ) ) ) . B u t t h e n x

L (

i

( I ( x ) ) ) i s t h e t e r m o f t y p e ! > t h a t w e a r e

t r y i n g t o n d .


7/14

C o r o l l a r y 4 A n i n t e r p r e t a t i o n ,

f 0 g

! C , i s c o m p l e t e i f a n d o n l y i f f o r a l l

M

>

N

>

i t h o l d s t h a t M ] ] = N i m p l i e s M =

N

P r o o f . L e f t - t o - r i g h t i s t r i v i a l . F o r t h e c o n v e r s e , s u p p o s e t h a t f o r a l l M

>

N

>

i t h o l d s t h a t M ] ] = N ] ] i m p l i e s M =

N . S u p p o s e t h a t M

] ] = N

] ] . B y

t h e \ c o m p o s i t i o n a l i t y " o f ] ] w e h a v e , f o r a l l L

! >

, t h a t L ( M ) ] ] = L ( N ) ] ] .

W h e n c e , b y t h e a s s u m p t i o n , f o r a l l L

! >

, w e h a v e L ( M ) =

L ( N ) . S o , b y

P r o p o s i t i o n 3 , M =

N . T h u s ] ] i s i n d e e d c o m p l e t e .

T h e c o r o l l a r y g i v e s a n e c e s s a r y a n d s u c i e n t c o n d i t i o n f o r a n i n t e r p r e t a t i o n o f

f 0 g

i n C t o b e c o m p l e t e . W e u s e t h i s t o o b t a i n a u s e f u l s u c i e n t c o n d i t i o n . A

v e r y w e a k n a t u r a l n u m b e r o b j e c t i n C i s a n o b j e c t B t o g e t h e r w i t h m o r p h i s m s :

1

0

B

s

B

+

B B

s u c h t h a t , f o r a l l m n , i t h o l d s t h a t m + n = + h m n i a n d m n = h m n i

w h e r e w e w r i t e n f o r t h e \ n u m e r a l " m o r p h i s m s

n

0

4

A v e r y w e a k n a t u r a l

n u m b e r o b j e c t i s s a i d t o b e f a i t h f u l i f a l l t h e n u m e r a l s a r e d i s t i n c t ( i . e . i f m = n

i m p l i e s m = n )

T h e n e x t l e m m a g e n e r a l i z e s t h e c o m p l e t e n e s s t h e o r e m t h a t a p p e a r s i n B e r g e r

a n d S c h w i c h t e n b e r g 3 ] ( a l t h o u g h t h e y w o r k i n a n o n - c a t e g o r i c a l s e t t i n g ) .

L e m m a 5 A n i n t e r p r e t a t i o n ,

f 0 g

! C , i s c o m p l e t e i f 0 ] ] i s a f a i t h f u l v e r y

w e a k n a t u r a l n u m b e r o b j e c t .

P r o o f . L e t B b e 0 ] ] . L e t b e t h e b i n a r y f u n c t i o n o n n a t u r a l n u m b e r s d e n e d b y

( m n ) = ( m + n )

2

+ m + 1 . B y s i m p l e c o m p o s i t i o n u s i n g t h e v e r y w e a k n a t u r a l

n u m b e r m o r p h i s m s , t h e r e i s a m o r p h i s m B B

; ! B s u c h t h a t h m n i =

( m n ) . W e s h a l l u s e t h i s t o s h o w t h a t t h e c o n d i t i o n o f C o r o l l a r y 4 i s s a t i s e d .

F i r s t , i t i s r o u t i n e t o c h e c k t h a t t h e c l o s e d l o n g - n o r m a l f o r m s o f t y p e >

h a v e t h e f o r m p

0 ! 0 ! 0

l

0

t w h e r e t i s g i v e n b y t h e g r a m m a r :

t = l p ( t

1

) ( t

2

)

N o w w e d e n e i n d u c t i v e l y a n u m e r i c a l l y v a l u e d f u n c t i o n , ( )

, o n t h e s e t o f s u c h

t b y

l

= 0

( p ( t

1

) ( t

2

) )

= ( t

1

t

2

)

I t i s e a s i l y s e e n t h a t t

1

= t

2

i m p l i e s t

1

a n d t

2

a r e i d e n t i c a l ( a s i s a n i n j e c t i v e

f u n c t i o n f r o m N N t o N

+

)

4

N o t e t h a t t h e r e i s n o r e q u i r e m e n t t h a t + a n d s a t i s f y a n y o f t h e u s u a l a l g e b r a i c

i d e n t i t i e s .


8/14

N o w , f o r a n y t , w e h a v e a m o r p h i s m p : l : t 2 C ( 1 > ) a n d w e n o t e t h e

e v i d e n t c o r r e s p o n d i n g B

( B B )

B

~

t

; ! B . W e a l s o n o t e t h e e x p o n e n t i a l t r a n s -

p o s e 1

~

; ! B

( B B )

o f . I t i s e a s i l y c h e c k e d t h a t t h e c o m p o s i t e :

1

h

~

0 i

B

( B B )

B

~

t

B

i s e q u a l t o t

. S o i f p : l : t

1

] ] = p : l : t

2

] ] t h e n t

1

= t

2

a n d t h u s t

1

a n d t

2

a r e

i d e n t i c a l ( a s t h e v e r y w e a k n a t u r a l n u m b e r o b j e c t i s f a i t h f u l ) .

T o c o m p l e t e t h e p r o o f , s u p p o s e t h a t M

>

] ] = N

>

] ] . S u p p o s e t h a t ( M ) =

p : l : t

1

a n d ( N ) = p : l : t

2

. T h e n , b y t h e a b o v e , t

1

a n d t

2

a r e i d e n t i c a l s o

M =

N . T h u s t h e c o n d i t i o n o f C o r o l l a r y 4 i s i n d e e d s a t i s e d .

N o t e t h a t t h e c o n d i t i o n o f t h e l e m m a i s n o t n e c e s s a r y f o r ] ] t o b e c o m p l e t e . I t

f a i l s , f o r e x a m p l e , f o r t h e e v i d e n t l y c o m p l e t e \ i d e n t i t y " i n t e r p r e t a t i o n o f

f 0 g

i n

F

f 0 g

w h e r e t h e r e i s n o m o r p h i s m f r o m 1 t o 0 ] ] ( a n d t h e o n l y e n d o m o r p h i s m o n

0 ] ] i s t h e i d e n t i t y ) .

L e t A

a

; ! A b e a n o n - r e p e a t i n g e n d o m o r p h i s m i n C . L e t B b e t h e o b j e c t

( A

A

)

( A

A

)

. W e u s e t h e i n t e r n a l l a m b d a - c a l c u l u s o f C t o d e n e a r r o w s :

0 = 1

f

A

A

a

A

a

B

s = B

b ! f

A

A

a

A

b ( f ) ( f ( a ) )

B

+ = B B

h b b i ! f

A

A

a

A

b ( f ) ( b ( f ) ( a ) )

B

= B B

h b b i ! f

A

A

a

A

b ( b ( f ) ) ( a )

B

m a k i n g u s e o f s t a n d a r d e n c o d i n g s o f s u c c e s s o r , a d d i t i o n a n d m u l t i p l i c a t i o n o n

C h u r c h n u m e r a l s . I t i s c l e a r t h a t t h e s e m o r p h i s m s s h o w B t o b e a v e r y w e a k

n a t u r a l n u m b e r o b j e c t . T o s e e t h a t i t i s f a i t h f u l n o t e t h a t , b y e x p o n e n t i a l t r a n s -

p o s e , e a c h n g i v e s a m o r p h i s m A

A

~n

; ! A

A

a n d a g i v e s a m o r p h i s m 1

~a

; ! A

A

I t

i s e a s i l y s e e n t h a t t h e e x p o n e n t i a l t r a n s p o s e o f t h e c o m p o s i t e ~n ~a i s A

a

n

; ! A

T h u s t h e n u m e r a l s m u s t a l l b e d i s t i n c t a s o t h e r w i s e w o u l d c o n t r a d i c t a b e i n g a

n o n - r e p e a t i n g e n d o m o r p h i s m .

I t n o w f o l l o w s f r o m L e m m a 5 t h a t t h e i n t e r p r e t a t i o n

f 0 g

! C d e t e r m -

i n e d b y s e t t i n g 0 ] ] = B i s c o m p l e t e . T o g e t h e r w i t h P r o p o s i t i o n 1 , t h i s c o m p l e t e s

t h e p r o o f o f T h e o r e m 2 .

W e n o w t u r n t o T h e o r e m 1 . T h e l e f t - t o - r i g h t i m p l i c a t i o n i s t r i v i a l . F o r t h e

c o n v e r s e , s u p p o s e t h a t C i s n o t a p r e o r d e r . W e s h a l l s h o w t h a t t h e r e i s a f a i t h f u l

C C - f u n c t o r , F , f r o m F

X

t o C

!

( t h e c o u n t a b l y i n n i t e p o w e r o f C ) , w h i c h i s

i n d e e d a C C C . G i v e n s u c h a n F , a c o l l e c t i v e l y f a i t h f u l s e t o f C C - f u n c t o r s f r o m

F

X

t o C i s f

i

F i 2 ! g w h e r e

i

i s i s t h e i - t h p r o j e c t i o n f r o m C

!

t o C ( i t i s

e a s i l y c h e c k e d t h a t t h e p r o j e c t i o n s a r e C C - f u n c t o r s ) , f r o m w h i c h i t i s c l e a r t h a t

t h e c l a s s o f a l l C C - f u n c t o r s i s c o l l e c t i v e l y f a i t h f u l .

T o o b t a i n F w e u s e T h e o r e m 2 , b y w h i c h i t s u c e s t o n d a n o n - r e p e a t i n g

e n d o m o r p h i s m i n C

!

A s C i s n o t a p r e o r d e r , s u p p o s e t h a t f a n d g a r e t w o


9/14

d i s t i n c t m o r p h i s m s i n C ( A B ) . F o r n 1 d e n e B

n

= B

B

n

w h e r e B

n

i s t h e

n - f o l d p r o d u c t o f B w i t h i t s e l f . F o r i 2 f 0 : : : n ; 1 g d e n e :

i

n

= 1

c

B

n

i

( c )

B

n

s

n

= B

n

d ! c

B

n

d ( h

2

( c ) : : :

n

( c )

1

( c ) i )

B

n

C l e a r l y s

n

i

n

= j

n

w h e r e j i s i + 1 m o d u l o n . W e n o w s h o w t h a t 0

n

: : : ( n ; 1 )

n

a r e a l l d i s t i n c t . L e t B

n

~

i

n

; ! B b e t h e e x p o n e n t i a l t r a n s p o s e o f i

n

. I t i s c l e a r t h a t

t h e c o m p o s i t e :

A

h

j

z } | {

f : : : f g : : : g i

B

n

~

i

n

B

i s e q u a l t o f i f i j a n d i s e q u a l t o g o t h e r w i s e . T h i s s h o w s t h a t j > i i m p l i e s

i

n

6= j

n

( a s f 6= g ) , s o 0

n

: : : ( n ; 1 )

n

a r e i n d e e d a l l d i s t i n c t . I t i s n o w c l e a r

t h a t

( B

1

B

2

: : : )

( s

1

s

2

: : : )

( B

1

B

2

: : : )

i s a n o n - r e p e a t i n g e n d o m o r p h i s m i n C

!

, a s r e q u i r e d .

5 T y p i c a l A m b i g u i t y

I n t h i s s e c t i o n w e a p p l y T h e o r e m 1 t o o b t a i n a s y n t a c t i c c h a r a c t e r i z a t i o n o f =

a s , i n a s e n s e t o b e d e n e d b e l o w , a m a x i m a l l y c o n s i s t e n t c o n g r u e n c e r e l a t i o n

s a t i s f y i n g t y p i c a l a m b i g u i t y ( T h e o r e m 3 ) . F o r t h e c a l c u l u s

!

f 0 g

, t h i s r e s u l t i s

o r i g i n a l l y d u e t o S t a t m a n 1 6 ] . A l t h o u g h t h e t h e o r e m f o r

X

i s e a s i l y d e r i v e d

f r o m S t a t m a n ' s r e s u l t f o r

!

f 0 g

, i t i s a n i n t e r e s t i n g a p p l i c a t i o n o f o u r c o m p l e t e -

n e s s r e s u l t s t o o b t a i n i t i n s t e a d a s a c o n s e q u e n c e o f T h e o r e m 1 . A s a m a t t e r o f

f a c t , w e s h a l l a l s o s e e t h a t o n e c a n t u r n t h e t a b l e s a n d d e r i v e T h e o r e m 1 f r o m

T h e o r e m 3 . T h u s , i n s o m e s e n s e , T h e o r e m 1 i s a s e m a n t i c c o u n t e r p a r t t o t h e

s y n t a c t i c T h e o r e m 3 .

F i r s t w e i n t r o d u c e t h e n e c e s s a r y n o t a t i o n t o s t a t e T h e o r e m 3 . G i v e n a f u n c -

t i o n f r o m X t o t y p e s , w e w r i t e ] f o r t h e t y p e o b t a i n e d b y s i m u l t a n e o u s l y

r e p l a c i n g e a c h o c c u r r e n c e o f a b a s e t y p e i n w i t h ( ) . S i m i l a r l y , w e w r i t e

M ] f o r t h e t e r m o b t a i n e d b y r e p l a c i n g a l l v a r i a b l e s x

i n M w i t h x

I f

M h a s t y p e t h e n M ] h a s t y p e ] . S u c h a s u b s t i t u t i o n o f t y p e s c l e a r l y

c o r r e s p o n d s t o a C C - f u n c t o r f r o m F

X

t o i t s e l f .

L e t b e a w e l l - t y p e d e q u i v a l e n c e r e l a t i o n o n

X

( i . e . o n e f o r w h i c h M N

i m p l i e s M a n d N a r e o f i d e n t i c a l t y p e ) s u c h t h a t M =

N i m p l i e s M N

W e s a y t h a t i s a c o n g r u e n c e i f M

N

i m p l i e s t h a t , f o r a l l L

!

L ( M )

L ( N ) ( t h e o t h e r p r o p e r t i e s o f a c o n g r u e n c e r e l a t i o n f o l l o w s f r o m t h i s b e c a u s e

c o n t a i n s =

) . W e s a y t h a t i s c o n s i s t e n t i f , f o r s o m e , t h e r e e x i s t t w o t e r m s ,

M

a n d N

, s u c h t h a t M 6 N . W e s a y t h a t s a t i s e s t y p i c a l a m b i g u i t y i f , f o r

a l l t y p e - v a l u e d f u n c t i o n s , o n X , i t h o l d s t h a t M N i m p l i e s M N


10/14

T h e o r e m 3 I f i s a c o n s i s t e n t c o n g r u e n c e r e l a t i o n c o n t a i n i n g =

a n d

s a t i s e s t y p i c a l a m b i g u i t y t h e n M N i f a n d o n l y i f M =

N

T o p r o v e t h e t h e o r e m , s u p p o s e t h a t s a t i s e s t h e a s s u m p t i o n s . W e c o n s t r u c t

a c a t e g o r y F

X

= a s f o l l o w s . T h e o b j e c t s o f F

X

= a r e t y p e s . T h e m o r p h i s m s f r o m

t o a r e t h e e q u i v a l e n c e c l a s s e s o f t h e s e t o f c l o s e d t e r m s o f t y p e !

m o d u l o , a n d w e w r i t e M ] f o r t h e e q u i v a l e n c e c l a s s o f M . T h e i d e n t i t i e s a n d

c o m p o s i t i o n a r e e v i d e n t . I t i s e a s i l y c h e c k e d t h a t F

X

= i s a C C C , u s i n g t h e

f a c t t h a t e x t e n d s =

a n d t h e c o n g r u e n c e p r o p e r t y o f . F u r t h e r , b y t h e

c o n s i s t e n c y p r o p e r t y , F

X

= i s n o t a p r e o r d e r .

L e m m a 6 G i v e n a n y

X

! F

X

= , d e n e f r o m X t o t y p e s b y ( ) =

T h e n M ] ] = x

1

M i n F

X

= ( 1 )

T h i s i s p r o v e d b y i n d u c t i o n o n t h e s t r u c t u r e o f M . T h e i n d u c t i o n , w h i c h i n v o l v e s

g o i n g t h r o u g h i n t e r p r e t a t i o n s o f o p e n t e r m s , i s r o u t i n e .

N o w s u p p o s e t h a t M N . L e t ] ] b e a n y i n t e r p r e t a t i o n i n F

X

= , a n d d e n e

a s a b o v e . B y t y p i c a l a m b i g u i t y , M N ] . W h e n c e , b y t h e c o n g r u e n c e

p r o p e r t y , x

1

M x

1

N ] . S o i t f o l l o w s f r o m t h e l e m m a t h a t M ] ] = N

W e h a v e s h o w n t h a t , f o r a n y ] ] , w e h a v e t h a t M ] ] = N ] ] . T h u s T h e o r e m 1

i m p l i e s t h a t M =

N . T h i s p r o v e s T h e o r e m 3 .

A s c o m m e n t e d a b o v e , o n e c a n a l s o d e r i v e T h e o r e m 1 f r o m T h e o r e m 3 . T o t h i s

e n d , s u p p o s e t h a t C i s n o t a p r e o r d e r . D e n e a w e l l - t y p e d e q u i v a l e n c e r e l a t i o n ,

, b y :

M N i f o r a l l

X

! C M ] ] = N

B y t h e s o u n d n e s s o f =

, w e h a v e t h a t c o n t a i n s =

. T h e o r e m 1 s a y s t h a t

M =

N i f a n d o n l y i f M N . T o s h o w t h i s w e n e e d o n l y v e r i f y t h a t s a t i s e s

t h e c o n d i t i o n s o f T h e o r e m 3 . T h e c o n g r u e n c e p r o p e r t y i s s t r a i g h t f o r w a r d ( i t

h o l d s b e c a u s e o f t h e \ c o m p o s i t i o n a l i t y " o f

X

! C ) . C o n s i s t e n c y f o l l o w s

f r o m C n o t b e i n g a p r e o r d e r , a s i t i s e a s y t o n d a n i n t e r p r e t a t i o n s u c h t h a t

x

0

y

0

x 6= x

0

y

0

y ] ] . I t r e m a i n s t o s h o w t y p i c a l a m b i g u i t y . F i r s t w e n o t e

t h e l e m m a b e l o w , w h i c h i s p r o v e d b y a s t r a i g h t f o r w a r d i n d u c t i o n o n t h e s t r u c t u r e

o f M ( a g a i n i n v o l v i n g i n t e r p r e t a t i o n s o f o p e n t e r m s ) .

L e m m a 7 G i v e n a n y f r o m X t o t y p e s a n d i n t e r p r e t a t i o n

X

! C , l e t

b e t h e i n t e r p r e t a t i o n d e t e r m i n e d b y = ( ) . T h e n M ] ] ] = M

S u p p o s e t h a t M N . L e t ] ] b e a n y i n t e r p r e t a t i o n . B y t h e l e m m a , w e h a v e

t h a t M ] ] ] = M a n d N ] ] ] = N . N o w M N , s o b y t h e d e n i t i o n o f

w e h a v e t h a t M = N . T h e r e f o r e M ] ] ] = N ] ] ] . S o M N ] , a n d

d o e s i n d e e d s a t i s f y t y p i c a l a m b i g u i t y .

T h e d e r i v a t i o n o f T h e o r e m 1 f r o m T h e o r e m 3 , g i v e s a p r o o f o f T h e o r e m 1

n o t i n v o l v i n g T h e o r e m 2 . H o w e v e r , S t a t m a n ' s p r o o f o f T h e o r e m 3 ( f o r

!

f 0 g

) a l s o

r e l i e s o n t h e r e d u c t i o n o f =

t o t h e s i n g l e t y p e > ( P r o p o s i t i o n 2 ) , o n w h i c h o u r

p r o o f o f T h e o r e m 2 w a s b a s e d . I t i s a n i n t e r e s t i n g f a c t t h a t a n a l t e r n a t i v e d i r e c t

p r o o f o f T h e o r e m 3 i s p o s s i b l e u s i n g a t y p e d v e r s i o n o f t h e B o h m - o u t t e c h n i q u e

2 , C h . 1 0 ] . T h e d e t a i l s a r e b e y o n d t h e s c o p e o f t h i s p a p e r .


11/14

6 C o m p l e t e I n t e r p r e t a t i o n s

I n t h i s s e c t i o n w e c o n s i d e r t h e p r o b l e m o f o b t a i n i n g a c h a r a c t e r i z a t i o n o f w h e n

a g i v e n i n t e r p r e t a t i o n i s c o m p l e t e . C o r o l l a r y 4 a l r e a d y c h a r a c t e r i z e s w h e n a n

i n t e r p r e t a t i o n

f 0 g

! C i s c o m p l e t e . W e c o n s i d e r w h e t h e r t h i s c h a r a c t e r i z -

a t i o n c a n b e i m p r o v e d i n a n a t u r a l w a y . W e a l s o c o n s i d e r w h e t h e r i t g e n e r a l i z e s

t o i n t e r p r e t a t i o n s o f

X

f o r a n a r b i t r a r y X . A l t h o u g h t h e r e s u l t s w e o b t a i n

a r e n e g a t i v e , t h e y d o i l l u s t r a t e w e l l s o m e o f t h e m o r e d e l i c a t e a s p e c t s o f t h e

c o m p l e t e n e s s q u e s t i o n s .

O n e n a t u r a l q u e s t i o n i s w h e t h e r C o r o l l a r y 4 c a n b e i m p r o v e d b y s i m p l i f y i n g

t h e t y p e o f M a n d N f r o m > t o ( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0 . B e l o w , w e u s e l o g i c a l

r e l a t i o n s t o c o n s t r u c t a m o d e l a n s w e r i n g t h i s q u e s t i o n s i n t h e n e g a t i v e . T h i s

n e g a t i v e a n s w e r j u s t i e s t h e c o m m e n t m a d e a t t h e e n d o f o u r p r o o f o f t h e l e f t -

t o - r i g h t i m p l i c a t i o n o f T h e o r e m 2 . I n g e n e r a l i t i s a n i n s u c i e n t c o n d i t i o n f o r

a n i n t e r p r e t a t i o n

f 0 g

! C t o b e c o m p l e t e t h a t t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e

s u c c e s s o r f u n c t i o n o n C h u r c h n u m e r a l s b e a n o n - r e p e a t i n g e n d o m o r p h i s m .

T h e c a t e g o r y R

3

i s d e n e d a s f o l l o w s . I t s o b j e c t s A a r e p a i r s ( A R

A

) w h e r e

A i s a s e t a n d R

A

i s a t e r n a r y r e l a t i o n o n A s u c h t h a t R

A

( a a a ) f o r a l l a 2 A

T h e m o r p h i s m s f r o m A t o B a r e t h o s e f u n c t i o n s f A ! B s u c h t h a t , f o r a l l

a

1

a

2

a

3

2 A , i t h o l d s t h a t R

A

( a

1

a

2

a

3

) i m p l i e s R

B

( f ( a

1

) f ( a

2

) f ( a

3

) ) . T h i s

c a t e g o r y i s c a r t e s i a n c l o s e d w i t h : 1 = f g w h e r e R

1

( ) h o l d s a n d A B =

A B w i t h R

A B

( h a

1

b

1

i h a

2

b

2

i h a

3

b

3

i ) i f a n d o n l y i f R

A

( a

1

a

2

a

3

) a n d

R

B

( b

1

b

2

b

3

) a n d B

A

= R

3

( A B ) w i t h R

B

A ( f

1

f

2

f

3

) i f a n d o n l y i f , f o r a l l

a

1

a

2

a

3

2 A , i t h o l d s t h a t R

A

( a

1

a

2

a

3

) i m p l i e s R

B

( f

1

( a

1

) f

2

( a

2

) f

3

( a

3

) )

T h e d e t a i l s a r e e a s i l y c h e c k e d . L e t A b e t h e o b j e c t o f R

3

d e n e d b y A = !

a n d R

A

( l m n ) i f a n d o n l y i f e i t h e r l = m = n o r l + 1 = m = n ; 1

D e n e a n i n t e r p r e t a t i o n

f 0 g

! R

3

b y s e t t i n g 0 ] ] = A . W e c l a i m t h a t ,

f o r a l l M

( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0

N

( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0

, i t h o l d s t h a t M ] ] = N ] ] i m p l i e s M =

N

N o t e t h a t t h e c l o s e d l o n g - n o r m a l f o r m s o f ( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0 h a v e t h e

f o r m s : z : s

n

( z ) f o r n 0 . A s t h e f u n c t i o n n ! n + 1 i s i n R

3

( A A ) , a n d

h e n c e i n A

A

, i t i s e a s i l y s e e n t h a t a n y t w o d i s t i n c t l o n g - n o r m a l f o r m s o f

( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0 g e t i n t e r p r e t e d a s d i e r e n t f u n c t i o n a l s i n ( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0 ] ] .

T h e c l a i m f o l l o w s .

D e s p i t e c o m p l e t e n e s s f o r t h e t y p e ( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0 , i t t u r n s o u t t h a t

i s n o t c o m p l e t e . B y C o r o l l a r y 4 , w e k n o w t h a t t h e i n c o m p l e t e n e s s m u s t a l r e a d y

a r i s e f o r t e r m s o f t y p e >

L e m m a 8 A f u n c t i o n f A A ! A i s i n R

3

( A A A ) i f a n d o n l y i f , f o r

s o m e k 0 , i t h o l d s t h a t f i s o n e o f : h m n i ! k o r h m n i ! m + k o r

h m n i ! n + k

P r o o f . T h e r i g h t - t o - l e f t i m p l i c a t i o n i s e a s i l y c h e c k e d . F o r t h e c o n v e r s e , s u p p o s e

t h a t f 2 R

3

( A A A ) . S e t k = f ( 0 0 ) . W e h a v e t h a t : R

A A

( h 0 0 i h 0 1 i h 0 2 i )

a n d R

A A

( h 0 0 i h 1 0 i h 2 0 i ) , a n d R

A A

( h 0 0 i h 1 1 i h 2 2 i ) . S o t h e r e a r e a p -

p a r e n t l y v e c h o i c e s f o r t h e f o u r v a l u e s ( f ( 0 0 ) f ( 0 1 ) f ( 1 0 ) f ( 1 1 ) ) n a m e l y :

( i ) ( k k k k ) ( i i ) ( k k k k + 1 ) ( i i i ) ( k k k + 1 k + 1 ) ( i v ) ( k k + 1 k k + 1 )

( v ) ( k k + 1 k + 1 k + 1 ) .


12/14

H o w e v e r , ( i i ) a n d ( v ) a r e i m p o s s i b l e . W e s h o w t h i s f o r ( v ) . C l e a r l y ( v ) r e q u i r e s

t h a t f ( 0 2 ) = k + 2 a n d , b e c a u s e R

A A

( h 1 0 i h 1 1 i h 1 2 i ) , t h a t f ( 1 2 ) = k + 1

B u t t h e n , a s R

A A

( h 0 2 i h 1 2 i h 2 2 i ) , t h e r e i s n o p o s s i b l e v a l u e f o r f ( 2 2 )

W e c l a i m t h a t f o r t h e o t h e r c a s e s : ( i ) d e t e r m i n e s f t o b e h m n i ! k ( i i i )

d e t e r m i n e s f t o b e h m n i ! m + k a n d ( i v ) d e t e r m i n e s f t o b e h m n i ! n + k

W e s h o w t h i s f o r ( i v ) . C l e a r l y ( i v ) d e t e r m i n e s t h a t f ( 2 0 ) = k a n d t h a t f ( 2 1 ) =

k + 1 . N o w a s i m p l e i n d u c t i v e a r g u m e n t s h o w s , f o r a l l m , t h a t f ( m 0 ) = k a n d

f ( m 1 ) = k + 1 . B u t t h e n i t i s c l e a r t h a t f ( m 2 ) = k + 2 , a n d a n o t h e r i n d u c t i v e

a r g u m e n t s h o w s t h a t i n d e e d f ( m n ) = n + k

I t i s n o w s t r a i g h t f o r w a r d t o s h o w t h a t , f o r e x a m p l e , t h e t w o d i s t i n c t l o n g -

n o r m a l f o r m s , p : l : p ( p ( l ) ( l ) ) ( l ) a n d p : l : p ( p ( l ) ( p ( l ) ( l ) ) ) ( l ) , o f t y p e > , a r e

i n t e r p r e t e d a s t h e s a m e f u n c t i o n a l i n > ] ] ( a s a r e a n y t w o \ t r e e s " s u c h t h a t b o t h

l e f t m o s t b r a n c h e s h a v e t h e s a m e l e n g t h , h s a y , a n d b o t h r i g h t m o s t b r a n c h e s

h a v e l e n g t h k s a y ) . T h u s w e h a v e s h o w n t h a t c o m p l e t e n e s s c a n n o t b e r e d u c e d

t o c o m p l e t e n e s s f o r t h e s i n g l e t y p e ( 0 ! 0 ) ! 0 ! 0

A n o t h e r d i r e c t i o n i n w h i c h o n e m i g h t h o p e t o i m p r o v e C o r o l l a r y 4 w o u l d b e

t o c h a r a c t e r i z e t h e c o m p l e t e i n t e r p r e t a t i o n s o f

X

f o r a r b i t r a r y X . O n e w o u l d

p r e f e r a c h a r a c t e r i z a t i o n t h a t i s b o t h s i m p l e a n d u s e f u l ( l i k e C o r o l l a r y 4 ) , b u t

u n f o r t u n a t e l y w e d o n o t h a v e o n e . H e r e w e c o n t e n t o u r s e l v e s w i t h s h o w i n g t h a t

a m o s t n a v e a t t e m p t a t a g e n e r a l i z a t i o n o f C o r o l l a r y 4 f a i l s . S p e c i c a l l y , d e n e

>

t o b e t h e t y p e ( ! ! ) ! ! . W e s h o w t h a t i t i s n o t n e c e s s a r i l y

t h e c a s e t h a t

X

! C i s c o m p l e t e w h e n , f o r a l l 2 X , f o r a l l M

>

N

>

, i t h o l d s t h a t M ] ] = N ] ] i m p l i e s M =

N . F o r a c o u n t e r e x a m p l e t a k e

X = f 0 0 g a n d C = S e t S e t . D e n e 0 ] ] = ( ! ) a n d 0 ] ] = ( ! ) . B y t h e

c o m p l e t e n e s s o f

X

i n S e t w e h a v e t h a t , f o r a l l 2 X , f o r a l l M

>

N

>

i t

h o l d s t h a t M ] ] = N ] ] i m p l i e s M =

N . H o w e v e r , o n e s e e s t h a t 0 ! 0 ] ] i s

i n t e r p r e t e d a s ( 1 ) a n d s o , f o r e x a m p l e , t h e t w o d i s t i n c t t e r m s ( m o d u l o =

)

o f ( 0 ! 0 ) ! ( 0 ! 0 ) ! ( 0 ! 0 ) a r e i n t e r p r e t e d a s t h e s a m e ( u n i q u e ) p o i n t o f

( 0 ! 0 ) ! ( 0 ! 0 ) ! ( 0 ! 0 ) ] ] . I t f o l l o w s t h a t ] ] i s n o t c o m p l e t e . W e l e a v e

t h e n d i n g o f a u s e f u l c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o m p l e t e i n t e r p r e t a t i o n s o f

X

a s a n

o p e n q u e s t i o n . A r e l a t e d q u e s t i o n i s t o n d t h e s i m p l e s t s e t o f t y p e s t o w h i c h

=

c a n b e r e d u c e d i n t h e m a n n e r o f P r o p o s i t i o n 2 .

7 D i s c u s s i o n

I t i s c l e a r t h a t t h e w o r k p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r i s h e a v i l y d e p e n d e n t o n o l d

r e s u l t s o f S t a t m a n . I n p a r t i c u l a r w e u s e T h e o r e m 3 o f 1 5 ] ( o u r P r o p o s i t i o n 2 )

i n a c r i t i c a l w a y , a n d o u r T h e o r e m 2 i s n o t t o o d i c u l t a c o n s e q u e n c e o f i t .

F u r t h e r , w e s a w i n S e c t i o n 5 t h a t T h e o r e m 1 c o u l d a l s o b e d e r i v e d a s a f a i r l y

s t r a i g h t f o r w a r d c o n s e q u e n c e o f S t a t m a n ' s t y p i c a l a m b i g u i t y t h e o r e m . H o w e v e r ,

a l t h o u g h o u r m a i n r e s u l t s f o l l o w w i t h o u t t o o m u c h e o r t f r o m S t a t m a n ' s w o r k ,

t h e e l e g a n c e a n d g e n e r a l i t y o f o u r t h e o r e m s m a k e s t h e m c o m p e l l i n g s e m a n t i c

a l t e r n a t i v e s t o S t a t m a n ' s s y n t a c t i c r e s u l t s . W e a l s o h o p e t h a t t h e p r e s e n t p a p e r

w i l l h a v e t h e e e c t o f d r a w i n g a t t e n t i o n t o S t a t m a n ' s r e s u l t s , w h o s e i m p l i c a t i o n s

d e s e r v e t o b e b e t t e r k n o w n .


13/14

T w o d e p a r t u r e s f r o m S t a t m a n ' s w o r k a r e t h a t w e w o r k w i t h a c a l c u l u s w i t h

u n i t a n d p r o d u c t t y p e s a n d t h a t w e a l l o w m o r e t h a n o n e b a s e t y p e . T h e f o r m e r

d i e r e n c e i s o v e r c o m e u s i n g t h e c h a r a c t e r i z a t i o n o f =

i n t e r m s o f l o n g -

n o r m a l f o r m s , w h i c h u n t i l q u i t e r e c e n t l y w a s a e l d o f a c t i v e r e s e a r c h ( s e e , e . g . ,

1 , 4 , 7 ] ) . T h e l a t t e r d i e r e n c e t u r n s o u t t o b e i r r e l e v a n t i n t h e c a s e o f T h e o r e m s

1 a n d 2 ( a s i s s h o w n b y P r o p o s i t i o n 1 ) . I n S e c t i o n 6 w e s a w t h a t t h i s d i e r e n c e i s

n o n - t r i v i a l f o r t h e q u e s t i o n o f c h a r a c t e r i z i n g w h e n a n i n t e r p r e t a t i o n i s c o m p l e t e .

I t i s i n t e r e s t i n g t o c o m p a r e o u r w o r k w i t h S t a t m a n ' s o w n s e m a n t i c a p p l i c a -

t i o n o f h i s s y n t a c t i c r e s u l t s . I n 1 7 ] h e s t a t e s h i s i m p o r t a n t 1 - S e c t i o n T h e o r e m

g i v i n g n e c e s s a r y a n d s u c i e n t c o n d i t i o n s f o r a n i n t e r p r e t a t i o n o f

!

f 0 g

i n a H e n -

k i n m o d e l t o b e c o m p l e t e . ( S e e 1 2 ] f o r a d e t a i l e d d i s c u s s i o n a n d p r o o f o f t h e

t h e o r e m . ) T h e 1 - S e c t i o n T h e o r e m i s c l o s e l y r e l a t e d t o o u r C o r o l l a r y 4 , b u t i t g o e s

f u r t h e r , r e d u c i n g c o m p l e t e n e s s a t t h e s e c o n d - o r d e r t y p e > t o a p r o p e r t y o f e l e -

m e n t s o f r s t - o r d e r t y p e s i n a c o u n t a b l e d i r e c t - p r o d u c t o f t h e m o d e l . H o w e v e r , i n

d o i n g s o , t h e 1 - S e c t i o n T h e o r e m m a k e s e s s e n t i a l u s e o f t h e \ w e l l - p o i n t e d n e s s "

o f H e n k i n m o d e l s . T h e r e i s a n a t u r a l a n a l o g u e o f t h e 1 - S e c t i o n T h e o r e m f o r

w e l l - p o i n t e d c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r i e s , b u t n o t f o r g e n e r a l c a r t e s i a n - c l o s e d c a t -

e g o r i e s . I n t h i s p a p e r w e h a v e p r e f e r r e d n o t t o c o n s i d e r r e s u l t s t h a t a p p l y o n l y

t o w e l l - p o i n t e d c a t e g o r i e s . A f t e r a l l , o n e o f t h e b e n e t s o f t h e c a t e g o r i c a l s e t t i n g

i s t h a t n o n - w e l l - p o i n t e d s t r u c t u r e s ( s u c h a s c l o s e d - t e r m c a t e g o r i e s ) a r e h a n d l e d

a l o n g s i d e ( t h e m o r e s e t - t h e o r e t i c ) w e l l - p o i n t e d s t r u c t u r e s i n a u n i f o r m s e m a n t i c

f r a m e w o r k . N o t e t h a t o u r d e r i v a t i o n o f T h e o r e m 3 f r o m T h e o r e m 1 m a d e e s s e n -

t i a l u s e o f t h e a p p l i c a b i l i t y o f o u r r e s u l t s t o n o n - w e l l - p o i n t e d c a t e g o r i e s .

O n e q u e s t i o n i s w h e t h e r t h e r e s u l t s c a n b e g e n e r a l i z e d t o g i v e c o m p l e t e n e s s

r e s u l t s f o r

X

a u g m e n t e d w i t h t y p e d c o n s t a n t s . C a t e g o r i c a l l y , o n e t h e n c o n s i d e r s

C C - f u n c t o r s f r o m t h e f r e e c a r t e s i a n c l o s e d c a t e g o r y g e n e r a t e d b y a g r a p h .

C u b r i c

u s e d F r i e d m a n ' s t e c h n i q u e s t o s h o w t h a t t h e r e i s a f a i t h f u l C C - f u n c t o r f r o m a n y

s u c h f r e e C C C t o S e t 4 ] . U n f o r t u n a t e l y , o u r p r o o f s d o n o t e x t e n d i n t h i s w a y ,

a s P r o p o s i t i o n 2 f a i l s o n c e c o n s t a n t s a r e a d d e d t o t h e s y n t a x .

A n o t h e r i n t e r e s t i n g q u e s t i o n i s w h e t h e r t h e p u r e l y c a t e g o r i c a l f o r m u l a t i o n s

o f T h e o r e m s 1 a n d 2 e x t e n d t o o t h e r k i n d s o f c a t e g o r i e s w i t h s t r u c t u r e . I t s e e m s

l i k e l y t h a t b o t h r e s u l t s w i l l g e n e r a l i z e t o b i c a r t e s i a n c l o s e d c a t e g o r i e s . T h e m a i n

o b s t a c l e i n p r o v i n g s u c h a g e n e r a l i z a t i o n i s t o g e t a g o o d h a n d l e o n e q u a l i t y i n

t h e i n t e r n a l l a n g u a g e . I t i s a l r e a d y d i c u l t t o g e n e r a l i z e l o n g - n o r m a l f o r m s

( a l t h o u g h s e e 6 ] f o r p r o g r e s s o n t h i s q u e s t i o n ) , l e t a l o n e t h e d e e p s y n t a c t i c

r e s u l t s o f S t a t m a n . O n t h e o t h e r h a n d , f o r r e c u r s i o n t h e o r e t i c r e a s o n s , i t i s c l e a r

t h a t o u r r e s u l t s d o n o t g e n e r a l i z e t o c a r t e s i a n - c l o s e d c a t e g o r i e s w i t h a n a t u r a l

n u m b e r s o b j e c t .

A c k n o w l e d g e m e n t s

I t h a n k A u r e l i o C a r b o n i , E u g e n i o M o g g i a n d P i n o R o s o l i n i f o r u s e f u l f e e d b a c k

w h e n I p r e s e n t e d t h i s w o r k i n G e n o a . T h i s r e s e a r c h w a s c a r r i e d o u t u n d e r a n

E P S R C p o s t d o c t o r a l f e l l o w s h i p .


14/14

R e f e r e n c e s

1 . Y . A k a m a . O n M i n t s ' r e d u c t i o n f o r c c c - c a l c u l u s . I n M . B e z e m a n d J . F . G r o o t e ,

e d i t o r s , T y p e d L a m b d a C a l c u l i a n d A p p l i c a t i o n s , P r o c e e d i n g s o f T L C A ' 9 3 . L N C S

6 6 4 , S p r i n g e r V e r l a g , 1 9 9 3 .

2 . H . P . B a r e n d r e g t . T h e L a m b d a C a l c u l u s , i t s S y n t a x a n d S e m a n t i c s . N o r t h H o l l a n d ,

A m s t e r d a m , 1 9 8 4 . S e c o n d e d i t i o n .

3 . U . B e r g e r a n d H . S c h w i c h t e n b e r g . A n i n v e r s e o f t h e e v a l u a t i o n f u n c t i o n a l f o r t y p e d

- c a l c u l u s . I n P r o c e e d i n g s o f 6 t h A n n u a l S y m p o s i u m o n L o g i c i n C o m p u t e r S c i e n c e

p a g e s 2 0 3 { 2 1 1 , 1 9 9 1 .

4 . D .

C u b r i c . E m b e d d i n g o f a f r e e c a r t e s i a n c l o s e d c a t e g o r y i n t o t h e c a t e g o r y o f s e t s .

J o u r n a l o f P u r e a n d A p p l i e d A l g e b r a , t o a p p e a r , 1 9 9 5 .

5 . H . F r i e d m a n . E q u a l i t y b e t w e e n f u n c t i o n a l s . I n R . P a r i k h , e d i t o r , L o g i c C o l -

l o q u i u m , S p r i n g e r - V e r l a g , N e w Y o r k , 1 9 7 5 .

6 . N . G h a n i . - e q u a l i t y f o r c o p r o d u c t s . T h i s v o l u m e , 1 9 9 5 .

7 . C . B . J a y a n d N . G h a n i . T h e v i r t u e s o f e t a - e x p a n s i o n . J o u r n a l o f F u n c t i o n a l

P r o g r a m m i n g , t o a p p e a r , 1 9 9 5 .

8 . J . L a m b e k a n d P . J . S c o t t . I n t r o d u c t i o n t o H i g h e r O r d e r C a t e g o r i c a l L o g i c . N u m -

b e r 7 i n C a m b r i d g e s t u d i e s i n a d v a n c e d m a t h e m a t i c s . C a m b r i d g e U n i v e r s i t y P r e s s ,

1 9 8 6 .

9 . E . M o g g i . T h e P a r t i a l L a m b d a - C a l c u l u s . P h . D . t h e s i s , D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r

S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f E d i n b u r g h , 1 9 8 8 . A v a i l a b l e a s L F C S r e p o r t n o . E C S - L F C S -

8 8 - 6 3 .

1 0 . G . D . P l o t k i n . L a m b d a - d e n a b i l i t y a n d l o g i c a l r e l a t i o n s . T e c h n i c a l R e p o r t S A I -

R M - 4 , S c h o o l o f A r t i c i a l I n t e l l i g e n c e , U n i v e r s i t y o f E d i n b u r g h , 1 9 7 3 .

1 1 . G . D . P l o t k i n . L a m b d a - d e n a b i l i t y i n t h e f u l l t y p e h i e r a r c h y . I n J . P . S e l d i n a n d

J . R . H i n d l e y , e d i t o r s , T o H . B . C u r r y : E s s a y s o n C o m b i n a t o r y L o g i c , L a m b d a

C a l c u l u s a n d F o r m a l i s m . A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 0 .

1 2 . J . G . R i e c k e . S t a t m a n ' s 1 - S e c t i o n T h e o r e m . I n f o r m a t i o n a n d C o m p u t a t i o n t o

a p p e a r , 1 9 9 5 .

1 3 . S . S o l o v i e v . T h e c a t e g o r y o f n i t e s e t s a n d C C C s . J o u r n a l o f S o v i e t M a t h e m a t i c s

2 2 : 1 3 8 7 { 1 4 0 0 , 1 9 8 3 .

1 4 . R . S t a t m a n . O n t h e e x i s t e n c e o f c l o s e d t e r m s i n t h e t y p e d - c a l c u l u s I . I n J . P .

S e l d i n a n d J . R . H i n d l e y , e d i t o r s , T o H . B . C u r r y : E s s a y s o n C o m b i n a t o r y L o g i c ,

L a m b d a C a l c u l u s a n d F o r m a l i s m . A c a d e m i c P r e s s , N e w Y o r k , 1 9 8 0 .

1 5 . R . S t a t m a n . C o m p l e t e n e s s , i n v a r i a n c e a n d - d e n a b i l i t y . J o u r n a l o f S y m b o l i c

L o g i c , 4 7 : 1 7 { 2 6 , 1 9 8 2 .

1 6 . R . S t a t m a n . - d e n a b l e f u n c t i o n a l s a n d c o n v e r s i o n . A r c h i v f u r M a t h . L o g i k

u n d G r u n d . , 2 3 : 2 1 { 2 6 , 1 9 8 3 .

1 7 . R . S t a t m a n . E q u a l i t y b e t w e e n f u n c t i o n a l s r e v i s i t e d . I n L . A . H a r r i n g t o n e t a l

e d i t o r s , H a r v e y F r i e d m a n ' s R e s e a r c h o n t h e F o u n d a t i o n s o f M a t h e m a t i c s . E l s e v i e r

S c i e n c e P u b l i s h e r s , 1 9 8 5 .

T h i s a r t i c l e w a s p r o c e s s e d u s i n g t h e L

a

T

E

X m a c r o p a c k a g e w i t h L L N C S s t y l e

a. simpson. categorial completeness

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