quox/examples/nat.quox

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load "bool.quox";
load "either.quox";

namespace nat {

def elim-0-1 :
    0.(P : ℕ → ★) →
    ω.(P 0) → ω.(P 1) →
    ω.(0.(n : ℕ) → P n → P (succ n)) →
    (n : ℕ) → P n =
  λ P p0 p1 ps n ⇒
  case n return n' ⇒ P n' of {
    zero    ⇒ p0;
    succ n' ⇒
      case n' return n'' ⇒ P (succ n'') of {
        zero         ⇒ p1;
        succ n'', IH ⇒ ps (succ n'') IH
      }
  }

#[compile-scheme "(lambda (n) (cons n 'erased))"]
def dup! : (n : ℕ) → [ω. Sing ℕ n] =
  λ n ⇒
  case n return n' ⇒ [ω. Sing ℕ n'] of {
    zero ⇒ [(zero, [δ _ ⇒ zero])];
    succ n, d ⇒
      appω (Sing ℕ n) (Sing ℕ (succ n))
        (sing.app ℕ ℕ n (λ n ⇒ succ n)) d
  };

def dup : ℕ → [ω.ℕ] =
  λ n ⇒ appω (Sing ℕ n) ℕ (sing.val ℕ n) (dup! n);

#[compile-scheme "(lambda% (m n) (+ m n))"]
def plus : ℕ → ℕ → ℕ =
  λ m n ⇒
  case m return ℕ of {
    zero      ⇒ n;
    succ _, p ⇒ succ p
  };

#[compile-scheme "(lambda% (m n) (* m n))"]
def timesω : ℕ → ω.ℕ → ℕ =
  λ m n ⇒
  case m return ℕ of {
    zero      ⇒ zero;
    succ _, t ⇒ plus n t
  };

def times : ℕ → ℕ → ℕ =
  λ m n ⇒ case dup n return ℕ of { [n] ⇒ timesω m n };

def pred : ℕ → ℕ = λ n ⇒ case n return ℕ of { zero ⇒ zero; succ n ⇒ n };

def pred-succ : ω.(n : ℕ) → pred (succ n) ≡ n : ℕ =
  λ n ⇒ δ 𝑖 ⇒ n;

def0 succ-inj : (m n : ℕ) → succ m ≡ succ n : ℕ → m ≡ n : ℕ =
  λ m n eq ⇒ δ 𝑖 ⇒ pred (eq @𝑖);

#[compile-scheme "(lambda% (m n) (max 0 (- m n)))"]
def minus : ℕ → ℕ → ℕ =
  λ m n ⇒
  (case n return ℕ → ℕ of {
    zero      ⇒ λ m ⇒ m;
    succ _, f ⇒ λ m ⇒ f (pred m)
  }) m;


def0 IsSucc : ℕ → ★ =
  λ n ⇒ case n return ★ of { zero ⇒ False; succ _ ⇒ True };

def isSucc? : ω.(n : ℕ) → Dec (IsSucc n) =
  λ n ⇒
  caseω n return n' ⇒ Dec (IsSucc n') of {
    zero   ⇒ No  (IsSucc zero)      (λ v ⇒ v);
    succ n ⇒ Yes (IsSucc (succ n)) 'true
  };

def zero-not-succ : 0.(m : ℕ) → Not (zero ≡ succ m : ℕ) =
  λ m eq ⇒ coe (𝑖 ⇒ IsSucc (eq @𝑖)) @1 @0 'true;

def succ-not-zero : 0.(m : ℕ) → Not (succ m ≡ zero : ℕ) =
  λ m eq ⇒ coe (𝑖 ⇒ IsSucc (eq @𝑖)) 'true;


def0 not-succ-self : (m : ℕ) → Not (m ≡ succ m : ℕ) =
  λ m ⇒
  case m return m' ⇒ Not (m' ≡ succ m' : ℕ) of {
    zero         ⇒ zero-not-succ 0;
    succ n, ω.ih ⇒ λ eq ⇒ ih (succ-inj n (succ n) eq)
  }


#[compile-scheme "(lambda% (m n) (if (= m n) Yes No))"]
def eq? : DecEq ℕ =
  λ m ⇒
  caseω m
  return m' ⇒ ω.(n : ℕ) → Dec (m' ≡ n : ℕ)
  of {
    zero ⇒ λ n ⇒
      caseω n return n' ⇒ Dec (zero ≡ n' : ℕ) of {
        zero    ⇒ Yes (zero ≡ zero    : ℕ) (δ _ ⇒ zero);
        succ n' ⇒ No  (zero ≡ succ n' : ℕ) (λ eq ⇒ zero-not-succ n' eq)
      };
    succ m', ω.ih ⇒ λ n ⇒
      caseω n return n' ⇒ Dec (succ m' ≡ n' : ℕ) of {
        zero    ⇒ No (succ m' ≡ zero : ℕ) (λ eq ⇒ succ-not-zero m' eq);
        succ n' ⇒
          dec.elim (m' ≡ n' : ℕ) (λ _ ⇒ Dec (succ m' ≡ succ n' : ℕ))
            (λ y ⇒ Yes (succ m' ≡ succ n' : ℕ) (δ 𝑖 ⇒ succ (y @𝑖)))
            (λ n ⇒ No  (succ m' ≡ succ n' : ℕ) (λ eq ⇒ n (succ-inj m' n' eq)))
            (ih n')
      }
  };

def eqb : ω.ℕ → ω.ℕ → Bool = λ m n ⇒ dec.bool (m ≡ n : ℕ) (eq? m n);


def0 plus-zero : (m : ℕ) → m ≡ plus m 0 : ℕ =
  λ m ⇒
  case m return m' ⇒ m' ≡ plus m' 0 : ℕ of {
    zero        ⇒ δ _ ⇒ 0;
    succ m', ih ⇒ δ 𝑖 ⇒ succ (ih @𝑖)
  };

def0 plus-succ : (m n : ℕ) → succ (plus m n) ≡ plus m (succ n) : ℕ =
  λ m n ⇒
  case m return m' ⇒ succ (plus m' n) ≡ plus m' (succ n) : ℕ of {
    zero       ⇒ δ _ ⇒ succ n;
    succ _, ih ⇒ δ 𝑖 ⇒ succ (ih @𝑖)
  };

def0 plus-comm : (m n : ℕ) → plus m n ≡ plus n m : ℕ =
  λ m n ⇒
  case m return m' ⇒ plus m' n ≡ plus n m' : ℕ of {
    zero ⇒ plus-zero n;
    succ m', ih ⇒
      trans ℕ (succ (plus m' n)) (succ (plus n m')) (plus n (succ m'))
        (δ 𝑖 ⇒ succ (ih @𝑖))
        (plus-succ n m')
  };

def0 times-zero : (m : ℕ) → 0 ≡ timesω m 0 : ℕ =
  λ m ⇒
  case m return m' ⇒ 0 ≡ timesω m' 0 : ℕ of {
    zero        ⇒ δ _ ⇒ zero;
    succ m', ih ⇒ ih
  };

{-
-- unfinished
def0 times-succ : (m n : ℕ) → plus m (timesω m n) ≡ timesω m (succ n) : ℕ =
  λ m n ⇒
  case m
  return m' ⇒ plus m' (timesω m' n) ≡ timesω m' (succ n) : ℕ
  of {
    zero ⇒ δ _ ⇒ 0;
    succ m', ih ⇒
      δ 𝑖 ⇒ plus (succ n) (ih @𝑖)
  };
-}

}