Quelle  Tangles.thy

section‹Tangles: Definition as a type and basic functions on tangles›
theory Tangles 
imports Preliminaries
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(* Time to split the file: Links and Tangles in another file*)

text‹well-defined wall as a type called diagram. The morphisms Abs\_diagram maps a well defined wall to
  diagram type and Rep\_diagram maps the diagram back to the wall›

typedef Tangle_Diagram = "{(x::wall). is_tangle_diagram x}"
 by (rule_tac x = "prod (cup#[]) (basic (cap#[]))" in exI) (auto)
 
typedef Link_Diagram = "{(x::wall). is_link_diagram x}"
 by (rule_tac x = "prod (cup#[]) (basic (cap#[]))" in exI) (auto simp 
 add:is_link_diagram_def abs_def)
 

text‹The next few lemmas list the properties of well defined diagrams›

text‹For a well defined diagram, the morphism Rep\_diagram acts as an inverse of Abs\_diagram
  morphism which maps a well defined wall to its representative in the type diagram›

lemma Abs_Rep_well_defined: 
 assumes " is_tangle_diagram x" 
 shows "Rep_Tangle_Diagram (Abs_Tangle_Diagram x) = x"
 using Rep_Tangle_Diagram Abs_Tangle_Diagram_inverse assms mem_Collect_eq  by auto

text‹The map Abs\_diagram is injective›
lemma Rep_Abs_well_defined: 
 assumes "is_tangle_diagram x"  
     and "is_tangle_diagram y" 
     and  "(Abs_Tangle_Diagram x) = (Abs_Tangle_Diagram y)"
 shows "x = y"
 using Rep_Tangle_Diagram Abs_Tangle_Diagram_inverse assms mem_Collect_eq  
 by metis

text‹restating the property of well-defined wall in terms of diagram›

text‹In order to locally defined moves, it helps to prove that if composition of two wall is a
  defined wall then the number of outgoing strands of the wall below are equal to the number of
  strands of the wall above. The following lemmas prove that for a well defined wall, t
  number of incoming and outgoing strands are zero›


(*is-tangle-compose*)
lemma is_tangle_left_compose: 
 "is_tangle_diagram (x ∘ y) ==> is_tangle_diagram x" 
proof (induct x)
 case (basic z)
  have "is_tangle_diagram (basic z)" using is_tangle_diagram.simps(1)  by auto
  then show ?case using basic by auto
 next
 case (prod z zs)
  have "(z*zs)∘y = (z*(zs ∘ y))" by auto
  then have " is_tangle_diagram (z*(zs∘y))" using prod by auto
  moreover then have 1: "is_tangle_diagram zs" 
        using is_tangle_diagram.simps(2) prod.hyps prod.prems  by metis
  ultimately have "domain_wall (zs ∘ y) = codomain_block z"
        by (metis is_tangle_diagram.simps(2))  
  moreover have "domain_wall (zs ∘ y) = domain_wall zs" 
        using domain_wall_def domain_wall_compose by auto
  ultimately have "domain_wall zs = codomain_block z" by auto
  then have "is_tangle_diagram (z*zs)" 
        by (metis "1" is_tangle_diagram.simps(2))
  then show ?case by auto
qed

lemma is_tangle_right_compose: 
 "is_tangle_diagram (x ∘ y) ==> is_tangle_diagram y"
proof (induct x)
 case (basic z)
  have "(basic z) ∘ y = (z*y) " using basic  by auto
  then have "is_tangle_diagram y" 
         unfolding is_tangle_diagram.simps(2) using basic.prems by (metis is_tangle_diagram.simps(2))
  then show ?case using basic.prems by auto 
 next
 case (prod z zs)
  have "((z*zs) ∘ y) = (z *(zs ∘ y))" by auto
  then have "is_tangle_diagram (z*(zs ∘ y))" using prod by auto
  then have "is_tangle_diagram (zs ∘ y)" using is_tangle_diagram.simps(2) by metis
  then have "is_tangle_diagram y"  using prod.hyps by auto 
  then show ?case by auto
qed

(*tangle diagrams using composition*)

lemma comp_of_tangle_dgms: 
 assumes"is_tangle_diagram y" 
 shows "((is_tangle_diagram x)
         ∧(codomain_wall x = domain_wall y))
              ==> is_tangle_diagram (x ∘ y)"
proof(induct x)
 case (basic z)
  have "codomain_block z = codomain_wall (basic z)" 
      using domain_wall_def by auto
  moreover have "(basic z)∘y= z*y" 
      using compose_def by auto
  ultimately have "codomain_block z = domain_wall y" 
      using basic.prems by auto 
  moreover have "is_tangle_diagram y" 
      using assms by auto
  ultimately have "is_tangle_diagram (z*y)" 
      unfolding is_tangle_diagram_def by auto
   then show ?case by auto
 next
 case (prod z zs)
  have "is_tangle_diagram (z*zs)" 
       using prod.prems by metis 
  then have "codomain_block z = domain_wall zs" 
      using is_tangle_diagram.simps(2) prod.prems  by metis
  then have "codomain_block z = domain_wall (zs ∘ y)" 
      using domain_wall.simps domain_wall_compose by auto 
  moreover have "is_tangle_diagram (zs ∘ y)" 
      using prod.hyps by (metis codomain_wall.simps(2) is_tangle_diagram.simps(2) prod.prems)
  ultimately have "is_tangle_diagram (z*(zs ∘ y))" 
     unfolding is_tangle_diagram_def by auto 
  then show ?case by auto
qed

lemma composition_of_tangle_diagrams:
 assumes "is_tangle_diagram x" 
     and "is_tangle_diagram y"
     and "(domain_wall y = codomain_wall x)"
 shows "is_tangle_diagram (x ∘ y)"
 using comp_of_tangle_dgms using assms by auto
    

lemma converse_composition_of_tangle_diagrams:
  "is_tangle_diagram (x ∘ y) ==> (domain_wall y) = (codomain_wall x)"
proof(induct x)
 case (basic z)
  have "(basic z) ∘ y = z * y" 
      using compose_def basic by auto 
  then have 
    "is_tangle_diagram ((basic z) ∘ y) ==>
              (is_tangle_diagram y)∧ (codomain_block z = domain_wall y)"
     using is_tangle_diagram.simps(2)  by (metis)
  then have "(codomain_block z) = (domain_wall y)" 
      using basic.prems by auto
  moreover have "codomain_wall (basic z) = codomain_block z"
      using domain_wall_compose by auto
  ultimately have "(codomain_wall (basic z)) = (domain_wall y)" 
      by auto
  then show ?case by simp
 next
 case (prod z zs)
  have "codomain_wall zs = domain_wall y" 
          using prod.hyps prod.prems 
          by (metis compose_Nil compose_leftassociativity is_tangle_right_compose)
  moreover have "codomain_wall zs = codomain_wall (z*zs)"
          using domain_wall_compose by auto
  ultimately show ?case by metis
qed

(*defining compose for diagrams*)

definition compose_Tangle::"Tangle_Diagram ==> Tangle_Diagram ==> Tangle_Diagram" 
                                                                     (infixl ‹∘› 65)
 where
"compose_Tangle x y = Abs_Tangle_Diagram
                                  ((Rep_Tangle_Diagram x) ∘ (Rep_Tangle_Diagram y))"

theorem well_defined_compose: 
 assumes "is_tangle_diagram x" 
     and "is_tangle_diagram y"
     and "domain_wall x = codomain_wall y"
 shows "(Abs_Tangle_Diagram x) ∘ (Abs_Tangle_Diagram y)
                          = (Abs_Tangle_Diagram (x ∘ y))"
 using  Abs_Tangle_Diagram_inverse assms(1) assms(2) compose_Tangle_def 
        mem_Collect_eq 
 by auto

(*defining domain and co-domain of tangles*)
definition domain_Tangle::"Tangle_Diagram ==> int"
where
"domain_Tangle x = domain_wall(Rep_Tangle_Diagram x)"

definition codomain_Tangle::"Tangle_Diagram ==> int"
where
"codomain_Tangle x = codomain_wall(Rep_Tangle_Diagram x)"

end