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单价公理

Univalence axiom · Univalence

断言宇宙中类型之间的恒等路径与类型等价相互等价,并保留其层级与计算口径的原则。

条目类型
公理

形式陈述

宇宙 Ui 中,令 AB 表示带逆性数据或等价纤维条件的类型等价。由恒等类型的路径归纳,任何 p:IdUi(A,B) 都诱导等价

idtoeqvA,B(p):AB,

idtoeqv(reflA) 计算为恒等等价。单价公理断言这个函数本身是等价:

isEquiv(idtoeqvA,B).

等价地,可取得

uaA,B:(AB)IdUi(A,B)

以及两侧逆律

idtoeqv(ua(e))=e,ua(idtoeqv(p))=p,

其中等号都位于相应恒等类型,公理式 HoTT 不把它们默认升级为 judgmental equality。宇宙层级同样不可省略:A,B:Ui,而谈论该宇宙及其等价结构可能位于更高层。单价性可对每层分别公设,也可由 universe-polymorphic 规则族给出。

“等价”不是一条任意函数,也不只是写出同样元素个数;它要求每个纤维可缩,或存在带同伦逆的函数。对集合层类型,这与双射相符;对高阶类型,它保留全部路径结构。因而“同构即相等”只能作受控口号,不能把带结构对象的任意外部同构直接变成定义相等。

直觉

单价性说宇宙把类型按结构而非名字识别:若两个类型之间存在真正的等价,宇宙内部便有一条路径连接它们;反过来,沿任何宇宙路径运输都会产生等价。它把“用等价对象替换不改变数学内容”内化为可沿路径运输的原则。

这仍不是文本替换。AB 不会因为给出 e:AB 就突然具有相同语法,类型检查器也不会在普通公理式 MLTT 中把 ua(e) 化成 refl。使用者得到的是恒等类型居民,可通过 transport、J 与高阶路径推理;计算行为取决于理论是否另外给 ua 以 judgmental rules。

例子与边界

布尔否定给出自等价

e¬:BoolBool,e¬(true)=false,e¬(false)=true.

单价性产生宇宙自路径 p=ua(e¬):Bool=UiBool。在恒等族 XX 中沿 p 运输 true,可由逆律证明

transportλX.X(p,true)=Boolfalse.

在 HoTT Book 的公理口径,这通常是命题式等式,而非左端 judgmentally 约简为 false。若宇宙满足 UIP,所有 Bool=Bool 路径都会与 refl 相同;经 idtoeqv 便迫使否定等价等同于恒等等价,与它们对 true 的不同作用冲突。因此含有布尔型的单价宇宙不兼容把所有恒等证明压平的 K/UIP。

边界还包括结构层次。群的同构可诱导底层载体等价,但要在“群的类型”中得到路径,必须把运算和定律纳入结构并证明相应 structure identity principle;裸单价性不会丢弃结构。范畴的对象同构与对象相等之间的 univalent category 条件也是进一步定义,不能直接从宇宙单价一句话替代。

推论与应用

单价性推出函数外延性,并支持沿等价运输定理、数据与结构。许多表示无关证明由此缩短:先构造等价,再使用 ua 把关于一种表示的性质运输到另一种表示。它还使宇宙自身拥有丰富高阶路径,成为同伦类型论研究空间、群胚与同伦层级的核心。

计算实现必须区分口径。把 ua 作为普通常量加入 MLTT,可获得公理推理与语义模型,却没有新增判断式 reduction,不能无条件宣称 canonicity。CCHM 立方类型论通过 interval、composition 和 Glue 构造计算性 univalence,使相关 transport 获得 reduction,并在该新理论中证明规范性。那是对单价原则的计算实现,不是把原公理悄悄改写成 β-rule。

参考资料
  • The Univalent Foundations Program, Homotopy Type Theory: Univalent Foundations of Mathematics, Institute for Advanced Study, 2013,§2.10,univalence、idtoeqv 与等价路径。
  • Vladimir Voevodsky, “Univalent Foundations Project,” 2010 manuscript,单价基础纲领与 universe interpretation。
  • Cyril Cohen, Thierry Coquand, Simon Huber, and Anders Mörtberg, “Cubical Type Theory: A Constructive Interpretation of the Univalence Axiom,” LIPIcs TYPES 2015 69, 2018, Article 5,Glue 与计算性 univalence。
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