<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">apm</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Advances in Pure Mathematics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2160-0384</issn>
      <issn pub-type="ppub">2160-0368</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/apm.2026.169035</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">apm-154052</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>The δ-Calculus: From Distinction to Arithmetic</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <contrib-id contrib-id-type="orcid">0009-0001-8868-7497</contrib-id>
          <name name-style="western">
            <surname>Washburn</surname>
            <given-names>Jonathan</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <contrib-id contrib-id-type="orcid">0000-0002-0318-1092</contrib-id>
          <name name-style="western">
            <surname>Zlatanović</surname>
            <given-names>Milan Lj.</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Recognition Physics Institute, Austin, Texas, USA </aff>
      <aff id="aff2"><label>2</label> Department of Mathematics, Faculty of Science and Mathematics, University of Niš, Serbia </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>02</day>
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>09</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>16</volume>
      <issue>09</issue>
      <fpage>705</fpage>
      <lpage>739</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>19</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>18</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>21</day>
          <month>09</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/apm.2026.169035">https://doi.org/10.4236/apm.2026.169035</self-uri>
      <abstract>
        <p>Let <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>denote the primitive act of distinction, formally realized as the one-step extension <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>r↦Sr</p>
        <p>of a finite record. We study the generated <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-orbit and its arithmetic presentation <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℕ</p>
        <p>δ</p>
        <p>. We prove that the <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-orbit is initial among <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-algebras: every <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-algebra admits a unique structure-preserving map from the orbit. The map is injective when the successor operation is injective and the base point is not a successor. If the <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-algebra also satisfies induction for all predicates, the map is bijective and gives the unique isomorphism with the generated <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-orbit. The corresponding <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-calculus is an intuitionistic first-order proof system over the signature <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>{</p>
        <p>0,S,+,⋅ }</p>
        <p>. The name is independent of <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-reduction in the <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>λ</p>
        <p>-calculus: here <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>generates the arithmetic carrier, and is not a term rewriting rule. Each derivation carries a ledger recording the use of the law of excluded middle, the limited principle of omniscience, Markov’s principle, and induction on quantified formulas. The last entry does not affect whether a derivation is forced. Every closed formula derivable in the forced fragment is true in the standard model. Starting from <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>, we construct the choice-free number tower <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ⇝</p>
        <p>ℕ</p>
        <p>δ</p>
        <p>↪<inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℤ</p>
        <p>δ</p>
        <p>↪<inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℚ</p>
        <p>δ</p>
        <p>. The metatheoretic systems <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℕ</p>
        <p>, <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℤ</p>
        <p>, and <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℚ</p>
        <p>each admit an explicit injection into <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>ℕ</p>
        <p>δ</p>
        <p>. We also classify the recognition quotients of <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>(</p>
        <p>ℕ</p>
        <p>δ</p>
        <p>,+,0</p>
        <p>)</p>
        <p>. Under the law of excluded middle, every recognizer is either injective or has kernel congruence <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>≡</p>
        <p>i,p</p>
        <p>for a unique pair <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>i≥0</p>
        <p>, <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>p≥1</p>
        <p>. In the noninjective case, the quotient is the finite monogenic monoid <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>M(</p>
        <p>i,p</p>
        <p>)</p>
        <p>. We determine the exact metatheoretic logical price of this classification. A decidable congruence together with an explicit pair of distinct related elements implies the classification without additional nonconstructive principles. For a decidable congruence different from equality, Markov’s principle is needed. For an arbitrary congruence, the dichotomy requires the law of excluded middle. The reverse implications show that the last two prices are exact. These prices are computed in the ambient metatheory. They are distinct from the syntactic ledger of derivations in the <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>δ</p>
        <p>-calculus. The main results are formalized in Lean 4.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Distinction</kwd>
        <kwd>-Calculus</kwd>
        <kwd>Constructive Arithmetic</kwd>
        <kwd>Choice-Free Number Tower</kwd>
        <kwd>Recognition Quotients</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> denote the primitive act of distinction. We identify the canonical arithmetic generated by iterated distinction, construct its choice-free number tower through the rationals, and determine the exact metatheoretic logical cost of the recognition quotients of its additive monoid.</p>
      <p>The ambient metatheory provides propositions, equality, and collections of elements, which we call <italic>carriers</italic>. The ambient metatheory is intuitionistic. It provides function types, finite products, inductively generated carriers with their recursion and induction principles, quotients by equivalence relations, and the natural numbers <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , which also index the de Bruijn variables (Section 3). Equality and order on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are decidable. We work in a fixed universe <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> Type </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . A carrier is a type <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> Type </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and a predicate on <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mtext> Prop </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Equality is the ambient equality, and quotients are formed by equivalence relations on carriers. In Theorem 2.5, induction applies to all such predicates, including the image predicate used for surjectivity. We do not use the law of excluded middle, the limited principle of omniscience, Markov’s principle, or the axiom of choice in the metatheory, except where explicitly assumed, as in Section 7. The ledger (Section 3.1) records principles used inside the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus.</p>
      <p>The purpose of this construction is not to obtain another copy of the natural numbers, since the metatheory already contains <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit is instead the canonical object obtained from the empty record by repeated one-step extension. By Theorem 1.6, it is initial among <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebras, and the Peano conditions characterize it up to a unique isomorphism. Thus the resulting arithmetic is unique up to isomorphism.</p>
      <p>Each element of the orbit records a finite number of successive distinction steps, and the later stages of the number tower are constructed explicitly from the generated carrier by group completion and fraction construction.</p>
      <p>The main question is therefore not what the natural numbers are, but what can be constructed from the generated carrier and at what logical price. For the recognition quotients of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , this price is exact: a decidable congruence together with an explicit pair of distinct related elements implies the classification without additional nonconstructive principles; decidability alone requires Markov’s principle; and an arbitrary congruence requires excluded middle.</p>
      <p><bold>Definition 1.1.</bold>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a carrier. Write </p>
      <disp-formula id="FD1">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>Dist</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mo>∃</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>A proof <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mtext> Dist </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called a <italic>distinction witness</italic> on <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>The predicate <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Dist </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> uses no additional structure on <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> beyond the equality of the ambient metatheory. A carrier <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> is called nontrivial if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Dist </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Dist </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives two unequal elements, but it gives no operation which can be iterated. The predicate is not used to generate the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. The symbol <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is only the name of the one-step extension <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Definition 1.2. A distinction witness does not produce 0, <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , or induction.</p>
      <p>The word <italic>distinction</italic> has formal and philosophical uses [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Spencer-Brown’s <italic>Laws of Form</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] develops a calculus from a mark of distinction. Our construction is different. The primitive is not a mark in a plane, but the one-step extension of a finite record. The generated object is the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. The condensation rules of [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] absorb repeated marking, whereas each application of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> produces a further stage of the generated record. Successor nonzero, successor injectivity, and induction then give the natural-number object.</p>
      <p>A related physical idea appears in Wheeler’s thesis <italic>it from bit</italic>, where particles, fields, and spacetime receive their physical meaning from elementary yes/no registrations [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. Since each such registration presupposes two distinguishable alternatives, here we study the prior mathematical step: the finite iteration of distinction. We do not use the calculus of [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], and the scholastic doctrine of formal distinction [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] is not part of the construction.</p>
      <p>In constructive algebra, a positive apartness relation is often used in place of negative inequality [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. No apartness relation is assumed here. The ambient host is an intuitionistic type theory in the sense of Martin-Löf [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], close to the Calculus of Constructions [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. We do not introduce a new type theory. Constructive reverse mathematics [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] asks which principles suffice for a theorem, the ledger of Section 3.1 instead records what a given derivation uses. </p>
      <p><bold>Definition 1.2.</bold>The <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -<italic>orbit</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the collection of finite records generated by two formation rules:</p>
      <disp-formula id="FD2">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>is a record</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>is a record</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>is a record</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>here 0 is the empty record, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the record obtained from <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> by one further act of distinction. </p>
      <p><bold>Proposition 1.3.</bold><italic>For al</italic><italic>l</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> q </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
      <disp-formula id="FD3">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Moreover</italic>,<italic>if a predicate</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>satisfies</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic></p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,</p>
      <p><italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>holds for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. The orbit is inductively generated, so it carries the recursion principle: for every carrier <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> , every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there is a map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , apply the recursion principle to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck"> B </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would imply <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>For injectivity, let us define <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> pred </mml:mtext><mml:mo> : </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mtext> Orb </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by recursion with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> pred </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> q </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives </p>
      <disp-formula id="FD4">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>pred</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mtext>pred</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>q</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The last statement is the structural induction principle of the inductively generated orbit. □</p>
      <p>The orbit is not defined as the subset <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a pre-existing carrier, so its definition does not use a prior natural-number object as an index. The notation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used only metatheoretically, for the result of applying <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> times to 0. The successor laws and the induction principle for the generated orbit are proved in Proposition 1.3.</p>
      <p>The rigidity theorem (Theorem 1.6) reverses the usual direction of explanation. The generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit is not merely another model of the Peano conditions. It is the object those conditions describe. Initiality sends the orbit canonically into every <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebra. When the successor map is injective and the base point is not a successor, this canonical map is an embedding, so every such faithful realization already contains a copy of the orbit. Induction makes the map surjective, and initiality makes the resulting isomorphism unique. The Peano conditions do not create an arithmetic structure by stipulation. They characterize, up to a unique structure-preserving relabeling, the arithmetic generated by repeated distinction. This is a representation-invariance statement within an ambient metatheory supporting inductive generation.</p>
      <p>Initiality and Peano categoricity are classical [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Here we combine them with distinction-based generation, the choice-free number tower, and the exact metatheoretic logical prices of recognition quotients.</p>
      <p>The <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus is an intuitionistic first-order proof system over the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , defined in Section 3. The symbol <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is not part of the formal language. In particular, <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is not the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -rule of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> λ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The calculus is called the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus because its symbols 0 and <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the distinction axioms, and the induction rule come from the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. In the arithmetic projection (Definition 5.1), the empty record is written as 0, and the one-step extension of a record is written by the successor symbol <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . At the first-order level, the successor theorems become the distinction axioms </p>
      <disp-formula id="FD5">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>s</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>s</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>They are validated in the standard model <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The operations + and ∙ are governed by their recursion equations.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the arithmetic structure carried by the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit, with + and ∙ defined by recursion. Its successor laws and induction are given by Proposition 1.3.</p>
      <p>We fix the generation grammar consisting of the generation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the primitive act <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , followed by group completion and fraction construction. The stages of the construction are </p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/5302836-rId240.jpeg?20260921034733" />
      </fig>
      <p>The first arrow denotes the inductive generation of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit of finite records and the natural-number object presented by it. The next stage is the group completion </p>
      <disp-formula id="FD6">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>c</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>c</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ι </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the canonical embedding of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into this quotient, given by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The next stage is the fraction construction <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , presented by ratio orbits with signed-orbit numerators and nonzero denominators in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , as defined in Section 5. The canonical embedding </p>
      <disp-formula id="FD7">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ι</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is induced by adjoining denominator 1.</p>
      <p>Thus the integer and rational stages are defined by their internal quotient relations. The comparison maps into the standard systems <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are constructed after these quotients are formed. The construction is choice-free. In the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus, each derivation carries a ledger recording the nonconstructive principles used. The main results are verified in Lean 4 (Section 8).</p>
      <p><bold>Definition 1.4.</bold><italic>For a carrier</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>write</italic></p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> Enc </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> ⇔ </mml:mo><mml:mtext> there exists an injection </mml:mtext><mml:mi> X </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ↪<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> . </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <p>An object satisfying this predicate is called <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-encodable</italic>. </p>
      <p>We prove that the metatheoretic number systems <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable. In this paper, we stop the tower at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The real-number stage is not treated in this paper. Its construction gives a further constructive problem, since the Cauchy and Dedekind constructions are not always equivalent.</p>
      <sec id="sec1dot1">
        <title>1.1. Main Results</title>
        <p>The paper has three main results. The first is the initiality and rigidity of the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. The second is the construction of the number tower from the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. The third is the classification of the recognition quotients of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , together with their exact metatheoretic logical prices.</p>
        <p>The third result contains the new quantitative part of the paper. The classical index-period classification of congruences on a monogenic monoid [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] is refined by assigning exact logical prices to its three forms. The reverse implications of Corollary 7.17 show that the Markov and excluded-middle assumptions cannot be weakened. The three main results are naturally ordered: the first identifies the generated carrier, the second constructs its choice-free number tower, and the third gives the exact metatheoretic logical cost of classifying its recognition quotients.</p>
        <p>We use the following standard universal property of the term syntax with de Bruijn variables [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].</p>
        <p><bold>Proposition 1.5.</bold><italic>For every algebra</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>of the signature</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>with carrier</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>and every assignment</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>there exists a unique homomorphism from the term algebra to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>extending</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .<italic>Thus the term syntax is the free algebra of this signature on the de Bruijn variables</italic>. </p>
        <p>Here <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the metatheoretic index set for the de Bruijn variables. The recursion equations for + and ∙ are validated in the standard model </p>
        <disp-formula id="FD8">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="fraktur">N</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>with the usual operations. The resulting arithmetic is developed in Section 4.1.</p>
        <p><bold>Theorem 1.6.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-algebra</italic>.<italic>There exists a unique homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is injective and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is injective</italic>.<italic>If</italic>,<italic>in addition</italic>, <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>satisfies induction for all predicates</italic>,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is bijective and is the unique</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-algebra isomorphism from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>Theorem 1.6 follows from Theorems 2.2, 2.3, and 2.5, proved in Section 2. </p>
        <p><bold>Theorem 1.7.</bold><italic>The following hold by choice-free constructions</italic>. </p>
        <p>(a) The carriers <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are constructed from the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. The carrier <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the natural-number object presented by this orbit, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the group completion of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the field of fractions of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , presented by ratio orbits with signed-orbit numerators.</p>
        <p>(b) The metatheoretic number systems <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable. </p>
        <p>The classification of the recognition quotients of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has three forms, depending on the assumptions imposed on the congruence.</p>
        <p><bold>Theorem 1.8.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be a congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The index-period classification has the following three forms</italic>: </p>
        <p>(<italic>a</italic>)<italic>if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is decidable and an explicit pair of distinct related elements is given</italic>,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>without using</italic>EM, LPO,<italic>or</italic>MP.</p>
        <p>(<italic>b</italic>)<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is decidable and is not equality</italic>,<italic>then the same conclusion is conditional on</italic>MP.</p>
        <p>(<italic>c</italic>)<italic>For an arbitrary congruence</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>it is conditional on</italic>EM<italic>that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is either equality or</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Conversely</italic>,<italic>the general statements in</italic>(<italic>b</italic>)<italic>and</italic>(<italic>c</italic>)<italic>imply</italic>MP <italic>and</italic>EM,<italic>respectively</italic>.<italic>Thus these two metatheoretic logical prices cannot be lowered</italic>. </p>
        <p>The three prices have a simple meaning. If a pair of distinct related elements is given, a bounded search finds the index and the period. No additional principle is used. If we know only that the congruence is not equality, a witness pair is available only under double negation, and Markov’s principle extracts it. If the congruence is arbitrary, even the alternative “equality or not” is missing, so excluded middle is needed. The reverse implications show that the last two steps cannot be dropped. The prices in Theorem 1.8 are metatheoretic, in the sense fixed in Convention 7.1. </p>
      </sec>
      <sec id="sec1dot2">
        <title>1.2. Organization</title>
        <p>The paper is organized as follows. Section 2 proves the initiality, faithful embedding, and rigidity of the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit (Theorem 1.6). Section 3 defines the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus and the ledger, and proves the soundness of the forced fragment (Theorem 3.2). Section 4 proves the universal property of the term algebra (Proposition 1.5) and develops the arithmetic validated in the standard model. Section 5 proves Theorem 1.7 by constructing the number tower <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ↪<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ↪<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and giving explicit encodings of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Section 6 classifies the recognition quotients of the additive monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Theorems 6.4 and 6.7). Section 7 prices this classification in the ambient metatheory and proves Theorem 1.8. It gives the three logical forms and proves that the Markov and excluded-middle prices cannot be lowered. Section 8 describes the Lean formalization and its axiom audit, and Section 9 contains concluding remarks.</p>
        <p>One limitation of the present carrier is structural, and it also indicates the direction of the sequel. The additive monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is free on one generator: it records the number of successive distinction steps, but not their order or type. Thus the recognition quotients classified here describe the simplest generated history carrier. In the sequel, ordered histories are represented by monoids of closed walks on a graph, where different loops may lead to noncommutative composition. The exact logical-pricing method of Section 7 then provides the starting point for the corresponding recognition problem.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>
        2. Initiality and Rigidity of the
        <italic>δ</italic>
        -Orbit
      </title>
      <p>We now state the universal property of the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit of Definition 1.2, with constructors 0 and <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Definition 2.1.</bold>A <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebra is a triple <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a carrier, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a unary operation. A homomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebras is a map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that </p>
      <disp-formula id="FD9">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>B</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>The orbit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebra. Proposition 1.5 states the freeness of the term algebra over the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with variables. Here we study the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit as an algebra with operations 0 and <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Theorem 2.2.</bold><italic>For every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-algebra</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>there exists a unique homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>It is determined by</italic></p>
      <disp-formula id="FD10">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. Existence follows from the recursion principle of the inductively generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a homomorphism. We prove <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> . For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If the equality holds for <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> , then </p>
      <disp-formula id="FD11">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Theorem 2.3.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be a</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-algebra</italic>.<italic>Suppose that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is injective and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Then the canonical homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is injective</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. We prove </p>
      <disp-formula id="FD12">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>b</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>by structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the claim holds. If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
      <disp-formula id="FD13">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>rec</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>This contradicts the assumption <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The element <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> cannot be 0, since otherwise </p>
      <disp-formula id="FD14">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>rec</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> . Then </p>
      <disp-formula id="FD15">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>rec</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>rec</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The induction hypothesis gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p>Thus, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∉ </mml:mo><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the canonical homomorphism </p>
      <disp-formula id="FD16">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>A</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>identifies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the sub-<inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebra <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Definition 2.4.</bold>A <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebra <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a <italic>Peano realization</italic> if</p>
      <p>1) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective; </p>
      <p>2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; </p>
      <p>3) for every predicate <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if </p>
      <disp-formula id="FD17">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>P</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Theorem 2.5.</bold><italic>For every Peano realization</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>the canonical homomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is bijective</italic>.<italic>It is the unique</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-algebra isomorphism</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Injectivity follows from Theorem 2.3. For surjectivity, let us consider the predicate </p>
      <disp-formula id="FD18">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>P</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mo>∃</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The base case holds with witness 0, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfy </p>
      <disp-formula id="FD19">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then </p>
      <disp-formula id="FD20">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>rec</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>rec</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> witnesses <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Induction in <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surjective.</p>
      <p>The uniqueness of the isomorphism follows from Theorem 2.2. □</p>
      <p>The predicate <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> used in the previous theorem is an ambient predicate. The third condition of Definition 2.4 applies to every such predicate, including the image predicate used for surjectivity.</p>
      <p><italic><bold>Remark</bold></italic><bold>2.6.</bold>Theorem 2.5 is relative to an ambient metatheory supporting inductive generation. It shows that every Peano realization is uniquely isomorphic to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]). For the standard Peano algebra </p>
      <disp-formula id="FD21">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>↦</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>the canonical map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> rec </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the counting map <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> of Section 5. Hence Lemma 5.3 is the standard-model instance of Theorem 2.5. </p>
      <p>Theorems 2.2, 2.3, and 2.5 together prove Theorem 1.6. </p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>
        3. The
        <italic>δ</italic>
        -Calculus
      </title>
      <p>We now define the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus, a natural-deduction system for an intuitionistic first-order arithmetic with equality over the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Each derivation has a <italic>ledger</italic> recording the use of the law of excluded middle (EM), the limited principle of omniscience (LPO), Markov’s principle (MP), and induction on formulas containing a quantifier. The ledger is defined in Section 3.1.</p>
      <p>Terms are generated by de Bruijn variables, zero, successor, addition, and multiplication: </p>
      <disp-formula id="FD22">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Under the arithmetic projection (Definition 5.1), the symbol 0 represents the empty record and <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> represents one further extension of a record.</p>
      <p>Formulas are generated by the grammar of first-order logic with equality [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]: </p>
      <disp-formula id="FD23">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⊥</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>∧</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>∨</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mo>∀</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>|</mml:mo>
            <mml:mo>∃</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD24">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>¬</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>φ</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⊥</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The nonlogical vocabulary of the calculus is exactly <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Lifting and substitution are defined by the standard structural recursions for de Bruijn syntax. For every metatheoretic natural number <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the expression <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a closed term, called <italic>the numeral</italic> for <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. The Ledger</title>
        <p>Let </p>
        <disp-formula id="FD25">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>L</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>EM</mml:mtext>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mtext>LPO</mml:mtext>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mtext>MP</mml:mtext>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mtext>QInd</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>A <italic>ledger</italic> Λ is a subset of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi> L </mml:mi></mml:math></inline-formula> . For each rule instance <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> , define a label <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℓ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows: EM, LPO, and MP contribute their corresponding singleton. Induction on a formula containing a quantifier contributes {QInd}. For every other rule instance <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ℓ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The <italic>ledger</italic> of a derivation <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> is </p>
        <disp-formula id="FD26">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>Λ</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:munder>
                  <mml:mo>∪</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mtext>in</mml:mtext>
                    <mml:mtext>
                       
                    </mml:mtext>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:munder>
                <mml:mi>ℓ</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>A derivation has <italic>empty ledger</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Λ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let </p>
        <disp-formula id="FD27">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Λ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>pos</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>Λ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∩</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>EM</mml:mtext>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mtext>LPO</mml:mtext>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mtext>MP</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>A derivation <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <italic>forced</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Λ </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> pos </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <italic>conditional on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> O </mml:mi></mml:math></inline-formula> , for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mo> ⊆ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> EM </mml:mtext><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext> LPO </mml:mtext><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext> MP </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Λ </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> pos </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> O </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The entry QInd does not affect whether <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> is forced.</p>
        <p>The definition of the ledger is close in spirit to constructive reverse mathematics, which classifies theorems by the principles they require [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. Constructive reverse mathematics studies the relation of theorems to principles over a fixed base theory. Its standard families also include principles such as the weak limited principle of omniscience (WLPO) and the lesser limited principle of omniscience (LLPO), whose relations with LPO and MP are not linear. Our ledger is instead a syntactic annotation carried by each derivation of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus. The two are complementary: the ledger records what a given derivation uses, while reverse mathematics studies which principles are sufficient or necessary for a theorem. We record EM, LPO, and MP, since these are the principles used by the present derivations. The principles WLPO and LLPO are not needed here and are not part of the ledger.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. Derivations</title>
        <p>The <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus is presented as a natural deduction system with the following rules: </p>
        <p>the assumption rule, with formulas in the context accessed by de Bruijn indices; the standard rules for equality, including reflexivity and Leibniz substitution; the first-order distinction axioms </p>
        <disp-formula id="FD28">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>≠</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>;</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>the recursion equations </p>
        <disp-formula id="FD29">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD30">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>;</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>the induction rule; the intuitionistic rules for propositional connectives and quantifiers; the additional schemas corresponding to EM, LPO, and MP. </p>
        <p>The induction rule is </p>
        <disp-formula id="FD31">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mo>⊢</mml:mo>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mo>⊢</mml:mo>
                  <mml:mo>∀</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>[</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>S</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>]</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Γ</mml:mi>
                  <mml:mo>⊢</mml:mo>
                  <mml:mo>∀</mml:mo>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Ind</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes substitution of the term <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> for the free variable <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with the usual lifting of the remaining de Bruijn variables. The rule contributes QInd when <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> contains a quantifier.</p>
        <p>A context Γ is a finite list of formulas, and the derivability judgment is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> ⊢ </mml:mo><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The assumption rule selects a formula of Γ by its de Bruijn index.</p>
        <p>Lifting and substitution are defined by the standard capture-avoiding structural recursion for de Bruijn syntax [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. Under a binder, the substitution is lifted so that the newly bound variable is fixed. Equality uses reflexivity, symmetry, transitivity, Leibniz substitution, and congruence. The usual intuitionistic introduction and elimination rules are used for connectives and quantifiers.</p>
        <p>The schemas EM, LPO, and MP can be applied in any well-formed context. Each application contributes the corresponding entry to the ledger. For LPO and MP, the matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> must be decidable in the forced fragment. Lemma 3.1 gives this for the quantifier-free case used below. </p>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a formula, and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a <italic>decidable</italic> formula, in the sense that </p>
        <disp-formula id="FD32">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>
              </mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∨</mml:mo>
                  <mml:mo>¬</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is derivable in the forced fragment. Lemma 3.1 below shows that every quantifier-free formula is decidable in this sense.</p>
        <p>The additional schemas are </p>
        <disp-formula id="FD33">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>EM</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD34">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>LPO</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>This is the arithmetic form of LPO, with decidable predicates on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> in place of binary sequences [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
        <disp-formula id="FD35">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>MP</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In the <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus, the following implications hold </p>
        <disp-formula id="FD36">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>LPO</mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>MP</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Applying EM to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo></mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives LPO. Under LPO, the alternative <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∀ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo></mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contradicts <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo></mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore gives MP.</p>
        <p><bold>Lemma 3.1.</bold><italic>Every quantifier-free formula is decidable without using</italic>EM, LPO,<italic>or</italic>MP.<italic>More precisely</italic>,<italic>if</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is quantifier-free</italic>,<italic>then</italic></p>
        <disp-formula id="FD37">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>
              </mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>∨</mml:mo>
                  <mml:mo>¬</mml:mo>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>has a derivation whose ledger contains none of EM, LPO, or MP. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. We first prove decidability of equality: </p>
        <disp-formula id="FD38">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>
              </mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>∨</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>≠</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We use induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> , with a subsidiary induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The base and successor cases follow from </p>
        <disp-formula id="FD39">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>≠</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The subsidiary induction formulas are quantifier-free. The outer induction formula contains the quantifier over <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and therefore contributes QInd, but no instance of EM, LPO, or MP.</p>
        <p>The general statement follows by structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Atomic equalities are decidable by the preceding argument, and <inline-formula><mml:math><mml:mo> ⊥ </mml:mo></mml:math></inline-formula> is decidable intuitionistically. If <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are decidable, then so are </p>
        <disp-formula id="FD40">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>∧</mml:mo>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:mi>ψ</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>by case analysis on the corresponding decision disjunctions. Hence every quantifier-free formula is decidable without using any schema from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> EM </mml:mtext><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext> LPO </mml:mtext><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext> MP </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p>Terms are interpreted in the standard arithmetic structure <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where the operations are the usual operations on the metatheoretic natural numbers. Formulas are evaluated by the corresponding Tarski semantics.</p>
        <p><bold>Theorem 3.2.</bold><italic>If a forced derivation in the empty context proves a closed formula</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic></p>
        <disp-formula id="FD41">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi mathvariant="fraktur">N</mml:mi>
              <mml:mo>⊨</mml:mo>
              <mml:mi>φ</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Proof</italic>. We prove by induction that, for every context Γ, valuation <inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and forced derivation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Γ </mml:mi><mml:mo> ⊢ </mml:mo><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , satisfaction of Γ under <inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> implies satisfaction of <inline-formula><mml:math><mml:mi> φ </mml:mi></mml:math></inline-formula> under <inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>A valuation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> interprets the de Bruijn variable <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Under a quantifier it is extended by </p>
        <disp-formula id="FD42">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:mi>ρ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>ρ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>A context is satisfied if all its formulas are satisfied under the given valuation. The equality and logical rules follow from the corresponding Tarski semantics, while the distinction axioms and the recursion equations are valid in <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The quantifier cases use the standard lifting and substitution lemmas for de Bruijn syntax [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. The induction-rule case follows from induction in <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> is forced, the cases for EM, LPO, and MP do not occur. The proof uses none of these principles and no axiom of choice. □</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. The Universal Property and Arithmetic</title>
      <p>This section proves the universal property stated in Proposition 1.5. It also develops the arithmetic validated in the standard model.</p>
      <p>Every term is generated by the constructors </p>
      <disp-formula id="FD43">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and every term has a unique such constructor form. At this stage the term algebra is not quotiented by the recursion equations.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> be an algebra of the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with carrier <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : a constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> A </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , a unary operation </p>
      <disp-formula id="FD44">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and binary operations </p>
      <disp-formula id="FD45">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Let </p>
      <disp-formula id="FD46">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>ℕ</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>be an assignment of the de Bruijn variables. No equations are assumed in <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Proof of Proposition 1</italic>.<italic>5</italic>. Define the map <inline-formula><mml:math><mml:mi> h </mml:mi></mml:math></inline-formula> on terms by structural recursion: </p>
      <disp-formula id="FD47">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>ρ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD48">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>s</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>s</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>These equations define a homomorphism from the term algebra to <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By construction it preserves <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and extends <inline-formula><mml:math><mml:mi> ρ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , which gives existence.</p>
      <p>For uniqueness, let <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> be any homomorphism from the term algebra to <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> . A structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every term <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> h </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. Arithmetic and Derived Objects</title>
        <p>In the standard model <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the closed numeral <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is interpreted as <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The recursion equations for + and ∙ are validated in <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> . They do not follow from the universal property, since an arbitrary algebra of the signature is not assumed to satisfy any equations. The identities for + and ∙, including associativity, commutativity, and distributivity, are derived with empty ledger. Indeed, each of them is proved by induction on a formula which is quantifier-free in the induction variable, the remaining variables being free, so no instance of the induction rule contributes QInd. The universal closures are then obtained by <inline-formula><mml:math><mml:mo> ∀ </mml:mo></mml:math></inline-formula> -introduction, which contributes nothing.</p>
        <p>The forced fragment (Section 3.1) is an intuitionistic first-order arithmetic over the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with equality, the distinction axioms, the recursion equations, and full induction. Empty-ledger derivations also exclude QInd. Hence induction in that fragment is restricted to quantifier-free formulas.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. The Number Tower</title>
      <p>This section proves Theorem 1.7(a). The construction proceeds from the orbit carrier <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to its group completion <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and then to the fraction construction <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . All constructions in this section are choice-free. </p>
      <p>The natural-number object <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is presented by the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit of Definition 1.2, with constructors 0 and <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Its elements are the finite records generated by these constructors. For each metatheoretic natural number <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we write <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the element of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> obtained by applying <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> times to 0.</p>
      <p>Let Num denote the inductively generated collection of closed terms determined by the rules </p>
      <disp-formula id="FD49">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mtext>Num</mml:mtext>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mtext>Num</mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mtext>Num</mml:mtext>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Definition 5.1.</bold><italic>The arithmetic projection is the map</italic></p>
      <disp-formula id="FD50">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>ar</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mtext>Num</mml:mtext>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>defined by structural recursion: </p>
      <disp-formula id="FD51">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>ar</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>ar</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>ar</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus the empty record is represented by the closed term 0, and each one-step extension of a record is represented by one application of the successor symbol <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Definition 5.2.</bold>Addition and multiplication on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined by structural recursion: </p>
      <disp-formula id="FD52">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD53">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>We write </p>
      <disp-formula id="FD54">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>These are metatheoretic operations on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Lemmas 5.4 and 5.5 show that under the map <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> , they correspond to the interpretations of the function symbols + and ∙ in the standard model <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Let us define </p>
      <disp-formula id="FD55">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>ℕ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD56">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>ν</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mi>ℕ</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>ν</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msup>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The map <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> assigns to each finite record the number of its successive extensions, while <inline-formula><mml:math><mml:mi> ν </mml:mi></mml:math></inline-formula> assigns to each <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the record obtained by applying <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> times to 0.</p>
      <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mtext> Num </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the closed numeral <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then </p>
      <disp-formula id="FD57">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>ar</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ν</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Lemma 5.3.</bold><italic>The maps</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ν </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>are mutually inverse</italic>: </p>
      <disp-formula id="FD58">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mi>ν</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>id</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>ν</mml:mi>
            <mml:mo>∘</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>id</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. The identity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ν </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> follows by induction on the metatheoretic natural number <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The identity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ν </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> follows by structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p>By Remark 2.6, this lemma is an instance of Theorem 2.5 at the standard model.</p>
      <p><bold>Lemma 5.4.</bold><italic>For all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
      <disp-formula id="FD59">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Consequently, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a monoid isomorphism. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. The identity follows by structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> , using </p>
      <disp-formula id="FD60">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>z</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mn>1.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> preserves addition and zero. Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is bijective by Lemma 5.3, it is a monoid isomorphism. □</p>
      <p><bold>Lemma 5.5.</bold><italic>For all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>it holds</italic></p>
      <disp-formula id="FD61">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. We use structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is immediate. For the successor case, we have </p>
      <disp-formula id="FD62">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p> □</p>
      <p><bold>Proposition 5.6.</bold><italic>The structure</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a commutative semiring</italic>.<italic>Moreover</italic>, </p>
      <disp-formula id="FD63">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>z</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>z</mml:mi>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD64">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>∨</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>and</italic></p>
      <disp-formula id="FD65">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>z</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>z</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>z</mml:mi>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. By Lemmas 5.3, 5.4, and 5.5, the map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a bijection preserving 0, 1, addition, and multiplication. The proof follows from the corresponding properties of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Definition 5.7.</bold>A <italic>signed orbit</italic>is a pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> × </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> are its positive and negative parts. Two signed orbits are balanced, written </p>
      <disp-formula id="FD66">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD67">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Lemma 5.8.</bold><italic>The balance relation is a decidable equivalence relation</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Reflexivity and symmetry are immediate. For transitivity, suppose </p>
      <disp-formula id="FD68">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then </p>
      <disp-formula id="FD69">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msup>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Adding <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> to the first relation and using the second, we obtain </p>
      <disp-formula id="FD70">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and additive cancellation (Proposition 5.6) gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The relation is decidable because addition and equality on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are decidable. Lemma 5.3 implies that <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is injective. Hence, for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we get </p>
      <disp-formula id="FD71">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since equality on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, then equality on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is decidable. □</p>
      <p><bold>Lemma5.9.</bold><italic>The operations on signed orbits defined by</italic></p>
      <disp-formula id="FD72">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>and</italic></p>
      <disp-formula id="FD73">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>are compatible with the balance relation in each argument</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Suppose </p>
      <disp-formula id="FD74">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a signed orbit.</p>
      <p>For addition, we have </p>
      <disp-formula id="FD75">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Finally, we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> q </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>For multiplication, we obtain </p>
      <disp-formula id="FD76">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>m</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus multiplication is compatible with balance in the first argument. Compatibility in the second argument follows from commutativity. □</p>
      <p><bold>Definition 5.10.</bold>The integer object is the quotient <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> × </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> / </mml:mo><mml:mo> ~ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Its addition and multiplication are defined by </p>
      <disp-formula id="FD77">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD78">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>These operations are well-defined by Lemma 5.9. </p>
      <p>For a signed orbit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , define </p>
      <disp-formula id="FD79">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>On <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , define </p>
      <disp-formula id="FD80">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By commutativity, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , that is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence negation is well-defined on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Lemma 5.11.</bold><italic>The map</italic></p>
      <disp-formula id="FD81">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ι</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ι</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is an injective map preserving addition and multiplication.</p>
      <p><italic>Proof</italic>. Both identities </p>
      <disp-formula id="FD82">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>hold by Definition 5.10. If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ι </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ι </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , that is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Lemma 5.12.</bold><italic>The map</italic></p>
      <disp-formula id="FD83">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>is a bijection satisfying</italic></p>
      <disp-formula id="FD84">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                      <mml:mi>δ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                      <mml:mi>δ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>and preserving addition</italic>,<italic>multiplication</italic>,<italic>and negation</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. By Lemmas 5.4 and 5.5, we obtain </p>
      <disp-formula id="FD85">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>b</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore </p>
      <disp-formula id="FD86">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is well-defined. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have </p>
      <disp-formula id="FD87">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                      <mml:mi>δ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                      <mml:mi>δ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD88">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>For addition, we have </p>
      <disp-formula id="FD89">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>p</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>p</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>n</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>p</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>p</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>n</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>For multiplication, we have </p>
      <disp-formula id="FD90">
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>p</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>p</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>n</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>p</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>p</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>n</mml:mi>
                              <mml:mo>′</mml:mo>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD91">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>p</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>n</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD92">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is injective by Lemma 5.3, we get <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective.</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ν </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> ν </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surjective. □</p>
      <p><bold>Corollary 5.13.</bold><italic>The structure</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a commutative ring</italic>,<italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a ring isomorphism</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. By Lemma 5.12, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a bijection preserving 0, 1, addition, multiplication, and negation. Hence the commutative ring structure of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> transfers to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a ring isomorphism. □</p>
      <p>We now construct the fraction object over <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , using signed-orbit representatives as numerators and nonzero elements of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as denominators.</p>
      <p><bold>Definition 5.14.</bold><italic>A ratio orbit is a pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>where</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a signed orbit and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is nonzero</italic>.<italic>We identify</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>with the signed orbit</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Two ratio orbits <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are <italic>cross-equal</italic>, written <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , if the signed orbits <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are balanced. </p>
      <p><bold>Lemma 5.15.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be signed orbits and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be nonzero</italic>.<italic>If</italic></p>
      <disp-formula id="FD93">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD94">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> q </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We have </p>
      <disp-formula id="FD95">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and therefore </p>
      <disp-formula id="FD96">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , using cancellation from Proposition 5.6, we have </p>
      <disp-formula id="FD97">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Lemma 5.16.</bold><italic>Cross-equality is a decidable equivalence relation on ratio orbits</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Reflexivity and symmetry follow from reflexivity and symmetry of the balance relation. For transitivity, suppose </p>
      <disp-formula id="FD98">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≈</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then </p>
      <disp-formula id="FD99">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>By Lemma 5.9, multiplying the first relation by <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and the second by <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and using associativity and commutativity of multiplication, we have </p>
      <disp-formula id="FD100">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>″</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>We use cancellation with respect to balance. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , cancellation gives </p>
      <disp-formula id="FD101">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Therefore <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so cross-equality is transitive.</p>
      <p>Finally, cross-equality is decidable because multiplication of signed orbits is recursively defined and balance is decidable. □</p>
      <p><bold>Lemma 5.17.</bold><italic>Addition and multiplication are well-defined on cross-equality classes</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. By Proposition 5.6, the semiring <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has no zero divisors, so the product of two nonzero denominators is nonzero. Suppose </p>
      <disp-formula id="FD102">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≈</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>For any ratio orbit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the products <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> coincide by Proposition 5.6, and Lemma 5.9 applied to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives </p>
      <disp-formula id="FD103">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so addition is compatible with cross-equality. Also, we have </p>
      <disp-formula id="FD104">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>w</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>f</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so multiplication is compatible with cross-equality. The same argument applies to the second variable. □</p>
      <p><bold>Definition 5.18.</bold>The rational object is the quotient </p>
      <disp-formula id="FD105">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>:</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>is</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>a</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>signed</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>orbit</mml:mtext>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>∈</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>≠</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:mo>≈</mml:mo>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Addition and multiplication are induced by </p>
      <disp-formula id="FD106">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD107">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The zero and unit of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are represented by </p>
      <disp-formula id="FD108">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>By Lemma 5.17, these formulas induce well-defined operations on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . For a signed orbit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The formula </p>
      <disp-formula id="FD109">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>defines a negation on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
      <disp-formula id="FD110">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>implies </p>
      <disp-formula id="FD111">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>~</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence negation is well-defined. </p>
      <p><bold>Lemma 5.19.</bold><italic>The map</italic></p>
      <disp-formula id="FD112">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ι</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ι</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>p</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>is injective and preserves addition and multiplication</italic>.</p>
      <p><italic>Proof</italic>. If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the map is well-defined. The two operation formulas of Definition 5.18. reduce to the operations of Definition 5.10. when both denominators equal 1, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ι </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> preserves addition and multiplication. Finally, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msup><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Proposition 5.20.</bold><italic>The map</italic></p>
      <disp-formula id="FD113">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>d</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>is a bijection preserving</italic>0, 1,<italic>addition</italic>,<italic>multiplication</italic>,<italic>and negation</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore </p>
      <disp-formula id="FD114">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is well-defined.</p>
      <p>By Lemmas 5.12 and 5.5, </p>
      <disp-formula id="FD115">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is identified with the signed orbit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Conversely, if </p>
      <disp-formula id="FD116">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>then </p>
      <disp-formula id="FD117">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus </p>
      <disp-formula id="FD118">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mi>d</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The injectivity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective.</p>
      <p>Clearly <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence</p>
      <disp-formula id="FD119">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>⋅</mml:mo>
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mo>⋅</mml:mo>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD120">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>⋅</mml:mo>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>[</mml:mo>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                          <mml:mo>]</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>D</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mi>ℚ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Finally, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Let </p>
      <disp-formula id="FD121">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>ℕ</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>By the surjectivity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , choose a signed orbit <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> such that </p>
      <disp-formula id="FD122">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then </p>
      <disp-formula id="FD123">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>ν</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>b</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mi>b</mml:mi>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>q</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is surjective. □</p>
      <p><bold>Corollary 5.21.</bold><italic>The operations transported from</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>through</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>make</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a field</italic>,<italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a field isomorphism</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. By Proposition 5.20, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> D </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a bijection preserving 0, 1, addition, multiplication, and negation. Hence the field structure of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> transfers to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <sec id="sec5dot1">
        <title>5.1. Encodability of the Metatheoretic Number Systems</title>
        <p>This section proves Theorem 1.7(b). By Lemma 5.3, <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodability is equivalent to the existence of an injection into <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The next proposition gives explicit encodings of <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Proposition 5.22.</bold><italic>The metatheoretic number systems</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>are</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-encodable</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. By Lemma 5.3, we have </p>
        <disp-formula id="FD124">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:mi>ν</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>id</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>so </p>
        <disp-formula id="FD125">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ν</mml:mi>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mi>δ</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is injective. Hence, by Definition 1.4, <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable.</p>
        <p>Let us define <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by </p>
        <disp-formula id="FD126">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable columnalign="left">
                    <mml:mtr columnalign="left">
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr columnalign="left">
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                          <mml:mn>0.</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective and therefore </p>
        <disp-formula id="FD127">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ν</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mi>ℤ</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mi>δ</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is injective, so <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable.</p>
        <p>We take the metatheoretic rationals as the quotient of pairs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , by </p>
        <disp-formula id="FD128">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mi>b</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Every class has a unique reduced representative <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> q </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> q </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> gcd </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mi> q </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> b </mml:mi><mml:mi> q </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . It is obtained by the Euclidean algorithm, so no choice is used. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> q </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , write </p>
        <disp-formula id="FD129">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Let us define <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by</p>
        <disp-formula id="FD130">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>This map is injective. Indeed, the pairs satisfying <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are mapped bijectively onto the interval </p>
        <disp-formula id="FD131">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Now, we define </p>
        <disp-formula id="FD132">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>q</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>〈</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                    <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mi>q</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>b</mml:mi>
                    <mml:mi>q</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>〉</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The injectivity of the pairing and of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective. Hence </p>
        <disp-formula id="FD133">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ν</mml:mi>
              <mml:mo>∘</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mi>ℚ</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mi>δ</mml:mi>
              </mml:msub>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is injective, so <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable. This completes the proof of Theorem 1.7(b). </p>
        <p>□</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>6. Recognition Quotients of the Generated Orbit</title>
      <p>Recognition Geometry [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] defines a recognizer as a function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from a configuration space <inline-formula><mml:math><mml:mi> C </mml:mi></mml:math></inline-formula> to an event space <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> . It induces the relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⇔ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the corresponding recognition quotient <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Here we consider the algebraic case in which the configuration space is the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit and a recognizer is a monoid homomorphism </p>
      <disp-formula id="FD134">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>C</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>R</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>V</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>∗</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a monoid. In this case, the induced relation is the kernel congruence of <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and the quotient <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> / </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is isomorphic to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The number tower is one construction from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this section we study another family of constructions given by the homomorphic images of the additive monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Their classification follows from the classical classification of congruences on a monogenic monoid [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. The new part of the paper is the constructive metatheoretic pricing of this classification in Section 7. </p>
      <p>The additive monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is generated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the one-step record. The following proposition is the standard universal property of the free monoid on one generator. It shows that every recognizer is determined by the image of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Proposition 6.1.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a monoid and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>There exists a unique monoid homomorphism</italic></p>
      <disp-formula id="FD135">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>V</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>∗</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>such that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Let us define <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by </p>
      <disp-formula id="FD136">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∗</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>A structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> gives </p>
      <disp-formula id="FD137">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∗</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a monoid homomorphism. Moreover, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> be another monoid homomorphism with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> preserves the neutral element, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Also, we have </p>
      <disp-formula id="FD138">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∗</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Structural induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p>The relation </p>
      <disp-formula id="FD139">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is called the <italic>indistinguishability relation</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a monoid homomorphism, this relation is a monoid congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Algebraically, it is the <italic>kernel congruence</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Two elements <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are called <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-indistinguishable</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The quotient <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> / </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called the <italic>recognition quotient</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>We now classify these kernel congruences.</p>
      <p><bold>Definition 6.2.</bold> For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , define a relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by </p>
      <disp-formula id="FD140">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇔</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>y</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>or</mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≥</mml:mo>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>and</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>mod</mml:mi>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Lemma 6.3.</bold><italic>For every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>the relation</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a decidable congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><italic>Proof</italic>. Let us consider the relation on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> given by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> if either <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , or </p>
      <disp-formula id="FD141">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mi>i</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Reflexivity follows from the equality case, and symmetry is immediate. For transitivity, suppose </p>
      <disp-formula id="FD142">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>n</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the conclusion follows immediately. Otherwise, </p>
      <disp-formula id="FD143">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mi>k</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mi>i</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>mod</mml:mi>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mi>k</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>mod</mml:mi>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> mod </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Now suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Equality is preserved by addition. In the second case, </p>
      <disp-formula id="FD144">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mi>i</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and </p>
      <disp-formula id="FD145">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>mod</mml:mi>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thus </p>
      <disp-formula id="FD146">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>m</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence the relation is compatible with addition.</p>
      <p>It is decidable because equality, order, and congruence modulo <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> are decidable on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By the monoid isomorphism </p>
      <disp-formula id="FD147">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>we get a decidable congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Theorem 6.4.</bold><italic>Assume</italic>EM.<italic>Every congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is either equality or</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic></p>
      <disp-formula id="FD148">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>i</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>≥</mml:mo>
            <mml:mn>1.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. The required classification on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proved in Section 7. By Theorem 7.14, every congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is either equality or an index-period congruence. The monoid isomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the result on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Definition 6.5.</bold>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>the index-period monoid</italic> is defined by </p>
      <disp-formula id="FD149">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Proposition 6.6.</bold><italic>The index-period monoid</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is finite and monogenic</italic>,<italic>generated by the class</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>It has index</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>period</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>elements</italic>. </p>
      <p><italic>Proof</italic>. The classes </p>
      <disp-formula id="FD150">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>are distinct, and every element of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equivalent to one of them: for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the records <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> b </mml:mi></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are neither equal nor both at least <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> with difference divisible by <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> ; and if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> q </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Moreover, </p>
      <disp-formula id="FD151">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msup>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msup>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> elements, is generated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and has index <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> and period <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . □</p>
      <p><bold>Theorem 6.7.</bold><italic>Assume</italic>EM.<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a recognizer</italic>.<italic>Then exactly one of the following holds</italic>: </p>
      <p>(a) <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is injective, equivalently <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equality. In this case, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> im </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>(b) There exists a unique pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In this case, </p>
      <disp-formula id="FD152">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mtext>im</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof</italic>. The relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the kernel congruence of <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By the first isomorphism theorem for monoids [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], the map </p>
      <disp-formula id="FD153">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mtext>im</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>↦</mml:mo>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is a monoid isomorphism.</p>
      <p>By Theorem 6.4, either <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equality or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a unique pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The two cases are disjoint, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>In the first case, <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is injective and </p>
      <disp-formula id="FD154">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>im</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In the second case, we have </p>
      <disp-formula id="FD155">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and hence </p>
      <disp-formula id="FD156">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>i</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mtext>im</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>□</p>
      <p>The map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an injective recognizer by Lemma 5.4.</p>
      <p>Let us define </p>
      <disp-formula id="FD157">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi mathvariant="double-struck">B</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>∨</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>b</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>S</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck"> B </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mi> b </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a monoid homomorphism with kernel congruence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence </p>
      <disp-formula id="FD158">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mi mathvariant="double-struck">B</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , define </p>
      <disp-formula id="FD159">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>ℕ</mml:mi>
                  <mml:mi>δ</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                <mml:mo>/</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
                <mml:mi>ℤ</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>D</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>mod</mml:mi>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> π </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a recognizer with kernel congruence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, </p>
      <disp-formula id="FD160">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>p</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≅</mml:mo>
            <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:mi>p</mml:mi>
            <mml:mi>ℤ</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In particular, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a cyclic group.</p>
      <p><italic><bold>Remark</bold></italic><bold>6.8.</bold>This is an algebraic case of the recognition quotient construction of Recognition Geometry [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. Here the configuration space is the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit, and recognizers are monoid homomorphisms. The homomorphism condition is essential for the index-period classification. If <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is an arbitrary function, then every equivalence relation <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the kernel of the quotient map </p>
      <disp-formula id="FD161">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mi>δ</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>/</mml:mo>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>↦</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In that case, no index-period classification holds. </p>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>7. The Metatheoretic Logical Price of the Index-Period Classification</title>
      <p>The classification of Section 6 has three forms. The first requires none of EM, LPO, or MP, the second requires MP, and the third requires EM. We prove these forms and their exact logical prices below.</p>
      <p><bold>Convention 7.1.</bold>The metatheoretic logical prices in this section are computed in the ambient intuitionistic metatheory. Here MP denotes Markov’s principle for arbitrary decidable predicates on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and EM denotes excluded middle for arbitrary ambient propositions. These metatheoretic logical prices are separate from the ledger of derivations defined in Section 3.1. </p>
      <sec id="sec7dot1">
        <title>7.1. Periods and Index-Period Congruences</title>
        <p>By Lemmas 5.3 and 5.4, the map <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> identifies congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with additive congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and carries the relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of Definition 6.2 to the index-period relation on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , which we denote by the same symbol. In this section, <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is an additive congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and we write <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence the results proved below for additive congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are equivalent, under the monoid isomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> , to the corresponding results for congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Definition 7.2.</bold>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We say that <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> if </p>
        <disp-formula id="FD162">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The period is <italic>positive</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is an additive congruence, </p>
        <disp-formula id="FD163">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Lemma 7.3.</bold><italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> m </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By adding <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to </p>
        <disp-formula id="FD164">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>we have </p>
        <disp-formula id="FD165">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>m</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>m</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> m </mml:mi></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><bold>Lemma 7.4.</bold><italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. We use induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> . For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Suppose that </p>
        <disp-formula id="FD166">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By Lemma 7.3, <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so </p>
        <disp-formula id="FD167">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By transitivity, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><bold>Lemma 7.5.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>where</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have </p>
        <disp-formula id="FD168">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By Lemma 7.4, we get </p>
        <disp-formula id="FD169">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> w </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , Lemma 7.3 gives </p>
        <disp-formula id="FD170">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Hence </p>
        <disp-formula id="FD171">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By adding <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> to both sides in the previous equation, we have </p>
        <disp-formula id="FD172">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By symmetry and transitivity, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><bold>Lemma 7.6.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a period at some point</italic>.<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a point at which <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period, and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and </p>
        <disp-formula id="FD173">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By Lemma 7.3, <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , Lemma 7.5, applied to the period <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the period <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , shows that <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><bold>Lemma 7.7.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be a period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> .<italic>If</italic></p>
        <disp-formula id="FD174">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>mod</mml:mi>
                  <mml:mi>g</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let us assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By Lemmas 7.3 and 7.4, we have </p>
        <disp-formula id="FD175">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The other case follows by symmetry. □</p>
        <p><bold>Lemma 7.8.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be the least positive period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> .<italic>Every positive period at any point is divisible by</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By Lemma 7.3, <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , Lemma 7.5, applied to the period <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the period <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , shows that <inline-formula><mml:math><mml:mi> e </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Let us denote </p>
        <disp-formula id="FD176">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By Lemma 7.4, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> q </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By adding <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> to this relation gives </p>
        <disp-formula id="FD177">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the minimality of <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
        <p><bold>Proposition 7.9.</bold><italic>Suppose that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>admits a positive period</italic>.<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be the least</italic><italic>positive period at</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> a </mml:mi></mml:math></inline-formula> ,<italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be the least point at which</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a period</italic>.<italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Otherwise, since the order on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, we may assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by symmetry. Lemma 7.6 shows that <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Moreover, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a positive period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> . By Lemma 7.8, we have </p>
        <disp-formula id="FD178">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> mod </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Conversely, suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
        <disp-formula id="FD179">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>mod</mml:mi>
                  <mml:mi>g</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and Lemma 7.7 gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The equality case follows by reflexivity. □</p>
        <p><bold>Lemma 7.10.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof</italic>. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have </p>
        <disp-formula id="FD180">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>g</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>and</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>|</mml:mo>
              <mml:mi>e</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Hence <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the least point admitting a positive period for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Similarly, <inline-formula><mml:math><mml:mi> j </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the least such point for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Equality of the two relations gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>At the common point <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the positive periods are precisely the positive multiples of <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the first relation and the positive multiples of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the second. Their least positive periods are therefore <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , respectively. Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
      </sec>
      <sec id="sec7dot2">
        <title>7.2. The Three Forms</title>
        <p><bold>Theorem 7.11.</bold><italic>Suppose that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is decidable and that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>are given with</italic></p>
        <disp-formula id="FD181">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>≠</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>b</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The conclusion follows without</italic>EM, LPO,<italic>or</italic>MP. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and order on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, symmetry gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then </p>
        <disp-formula id="FD182">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>d</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>&gt;</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is a period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The predicate </p>
        <disp-formula id="FD183">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>↦</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>∧</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is decidable and holds at <inline-formula><mml:math><mml:mi> d </mml:mi></mml:math></inline-formula> . A bounded search over <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> q </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> d </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the least positive period <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>The predicate </p>
        <disp-formula id="FD184">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>↦</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>is decidable and holds at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> . A bounded search over <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives the least point <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> at which <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period.</p>
        <p>Proposition 7.9 gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and Lemma 7.10 gives uniqueness. The two searches are bounded and decidable. Therefore the derivation uses none of EM, LPO, or MP. □</p>
        <p><bold>Theorem 7.12.</bold><italic>Suppose that</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is decidable and is not equality</italic>: </p>
        <disp-formula id="FD185">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>∈</mml:mo>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>~</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The derivation is conditional on</italic>MP. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. We define </p>
        <disp-formula id="FD186">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>~</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>∧</mml:mo>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>≠</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The predicate <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, since <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable and both quantifiers are bounded. Hence the ambient form of MP fixed in Convention 7.1 applies to <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>We claim that </p>
        <disp-formula id="FD187">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Indeed, suppose that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
        <disp-formula id="FD188">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>max</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>holds, which is impossible. Since equality on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence every related pair is equal, and therefore <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is equality. This contradicts the assumption that <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is not equality. </p>
        <p>Markov’s principle gives </p>
        <disp-formula id="FD189">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Thus there are explicit <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Theorem 7.11 then gives the classification. The only nonconstructive step is the use of MP. □</p>
        <p><bold>Lemma 7.13.</bold><italic>Assume</italic>EM.<italic>If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is a predicate on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>has a least witness</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. We prove by strong induction on <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> that, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> has a least witness. Suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By EM, either </p>
        <disp-formula id="FD190">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In the first case, choose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The induction hypothesis gives a least witness of <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> . In the second case, <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a least witness. □</p>
        <p><bold>Theorem 7.14.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be an arbitrary additive congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Then either</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>is equality</italic>,<italic>or</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>The derivation is conditional on</italic>EM. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. By EM, either </p>
        <disp-formula id="FD191">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∀</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>∈</mml:mo>
              <mml:mi>ℕ</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>or this statement fails. In the first case, <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is equality.</p>
        <p>In the second case, EM applied to the existence of a related pair of distinct elements gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Without loss of generality, assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a positive period at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Lemma 7.13, applied to the predicate </p>
        <disp-formula id="FD192">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>↦</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∧</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>q</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>gives the least positive period <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Applied to </p>
        <disp-formula id="FD193">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>↦</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>~</mml:mo>
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>g</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>it gives the least point <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> at which <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a period. Proposition 7.9 gives <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and Lemma 7.10 gives uniqueness. □</p>
        <p>The isomorphism <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> induces a bijection between additive congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and additive congruences on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Moreover, </p>
        <disp-formula id="FD194">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Hence the three classification theorems for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are equivalent to their corresponding forms for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The classical form is Theorem 6.4.</p>
      </sec>
      <sec id="sec7dot3">
        <title>7.3. Exactness of the Prices</title>
        <p>Theorems 7.12 and 7.14 show that MP and EM are sufficient. We now prove that they are also necessary for the corresponding classification.</p>
        <p>Let MarkovForm denote the statement that every decidable additive congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which is not equality is equal to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a unique pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Let ClassicalForm denote the statement that every additive congruence on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is either equality or is equal to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a unique pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Proposition 7.15.</bold><italic>The statement</italic>MarkovForm<italic>implies Markov</italic>’<italic>s principle</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a decidable predicate on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We define </p>
        <disp-formula id="FD195">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>~</mml:mo>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We first check that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an additive congruence. Reflexivity and symmetry are immediate. For transitivity, suppose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> follows directly. Assume that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then there exist </p>
        <disp-formula id="FD196">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>ℓ</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℓ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since order on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, either <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
        <disp-formula id="FD197">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD198">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mo>&lt;</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD199">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>ℓ</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>z</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD200">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>~</mml:mo>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>z</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>For compatibility with addition, let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Otherwise the relation is witnessed by some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mtext> min </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and then </p>
        <disp-formula id="FD201">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The relation is decidable because equality is decidable and the search for <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> is bounded.</p>
        <p>Suppose that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equality. For any <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> , if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> holds, then </p>
        <disp-formula id="FD202">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>~</mml:mo>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>although <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This contradicts the assumption <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not equality.</p>
        <p>By MarkovForm, there exist <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so the equality assumption is impossible. Therefore </p>
        <disp-formula id="FD203">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>∃</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mtext>min</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>k</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> min </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , it follows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∃ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is arbitrary, then MP follows. □</p>
        <p><bold>Proposition 7.16.</bold><italic>The statement</italic>ClassicalForm<italic>implies EM</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> be an arbitrary proposition and define </p>
        <disp-formula id="FD204">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>~</mml:mo>
                <mml:mi>P</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>This is an additive congruence. Reflexivity and symmetry are immediate. Transitivity follows by cases, and if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then </p>
        <disp-formula id="FD205">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By ClassicalForm, either <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equality or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>In the first case, <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>In the second case, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus </p>
        <disp-formula id="FD206">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> ∨ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> is arbitrary, then EM follows. □</p>
        <p>Theorems 7.12 and 7.14, together with Propositions 7.15 and 7.16, give the following equivalences.</p>
        <p><bold>Corollary 7.17.</bold><italic>The two classification forms satisfy</italic></p>
        <disp-formula id="FD207">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>MP</mml:mtext>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>ClassicalForm</mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Thus the metatheoretic logical prices</italic>{MP}<italic>and</italic>{EM} <italic>are exact</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Theorem 7.12 gives </p>
        <disp-formula id="FD208">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>MP</mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and Proposition 7.15 gives the converse. Similarly, Theorem 7.14 gives </p>
        <disp-formula id="FD209">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>ClassicalForm</mml:mtext>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>and Proposition 7.16 gives the converse. □</p>
        <p>Together with Theorem 7.11, this completes the proof of Theorem 1.8. </p>
        <p><bold>Proposition 7.18.</bold><italic>Assume</italic>EM.<italic>Then every additive congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is equal to a decidable relation</italic>. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> be an additive congruence. By Theorem 7.14, either <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is equality or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Equality on <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is decidable, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is decidable by Lemma 6.3. Hence <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> is equal to a decidable relation. □</p>
        <p><bold>Proposition 7.19.</bold><italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext> MarkovForm </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>denote the statement obtained from</italic>MarkovForm<italic>by deleting the decidability hypothesis</italic>:<italic>every additive congruence on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>which is not equality is equal to</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for a unique pair</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .<italic>Then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext> MarkovForm </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>implies</italic>EM. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a proposition, and let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the additive congruence from the proof of Proposition 7.16, defined by </p>
        <disp-formula id="FD210">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mo>~</mml:mo>
                <mml:mi>P</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equality, then <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and hence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , contradicting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not equality.</p>
        <p>By <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext> MarkovForm </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and therefore </p>
        <disp-formula id="FD211">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>i</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>∨</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the equality <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is impossible. Hence <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> . We have therefore proved </p>
        <disp-formula id="FD212">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mo>¬</mml:mo>
              <mml:mi>P</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:mi>P</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>for every proposition <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Applied to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> ∨ </mml:mo><mml:mo> ¬ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , whose double negation is provable intuitionistically, this gives EM. □</p>
        <p>The relation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not assumed decidable. Indeed, a decision procedure for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math><mml:mi> P </mml:mi></mml:math></inline-formula> , since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:msub><mml:mo> ~ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ⇔ </mml:mo><mml:mi> P </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Hence MarkovForm does not apply.</p>
        <p><bold>Corollary 7.20.</bold><italic>Under</italic>EM,<italic>the decidability hypothesis of Theorem 7</italic>.<italic>12 excludes no congruence</italic>.<italic>However</italic>,<italic>it cannot be removed from the Markov form</italic>: </p>
        <disp-formula id="FD213">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
              <mml:mo>⇔</mml:mo>
              <mml:mtext>MP</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Moreover</italic>, MP<italic>does not imply</italic>EM [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. </p>
        <p><italic>Proof</italic>. The first statement follows from Proposition 7.18. Proposition 7.19 gives </p>
        <disp-formula id="FD214">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Conversely, assume EM, and let <inline-formula><mml:math><mml:mi> c </mml:mi></mml:math></inline-formula> be an additive congruence which is not equality. By Theorem 7.14, we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and uniqueness follows from Lemma 7.10. Thus </p>
        <disp-formula id="FD215">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>EM</mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>MarkovForm</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The second equivalence is Corollary 7.17. The strict separation between MP and EM is given in [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. □</p>
        <p>For the classification considered here, the exact prices are <inline-formula><mml:math><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:math></inline-formula> , {MP}, {EM}. No separate LPO-level occurs.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec8">
      <title>8. Lean Formalization</title>
      <p>The main results are formalized in Lean 4 [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] over Mathlib [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. The declarations used in this paper are in the module families ActualMathematics. DeltaKernel and ActualMathematics. DeltaForced. The rigidity declarations belong to the module family ActualMathematics. Rigidity.</p>
      <p>The command #print axioms is less precise than the ledger of Section 3.1. It records the axioms used by a Lean declaration, but not the logical principles used inside a derivation. <bold>Table 1</bold> lists the corresponding Lean declarations.</p>
      <p><bold>Table 1</bold> contains the main results. The auxiliary results, including the semiring laws and the finite index-period monoids, are formalized in the same module families.</p>
      <p>Table 1. Main results and their Lean 4 declarations.</p>
      <table-wrap id="tbl1">
        <label>Table 1</label>
        <table>
          <tbody>
            <tr>
              <td>
                <bold>Result</bold>
              </td>
              <td>
                <bold>Lean declaration</bold>
              </td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 2.2</td>
              <td>base_initial</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 2.3</td>
              <td>baseRec_injective</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 2.5</td>
              <td>base_categorical, base_unique_iso, base_rigidity</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Proposition 1.5</td>
              <td>bootstrap_initiality</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 3.2</td>
              <td>sound_forced</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 1.7</td>
              <td>bootstrap_tower_export, delta_bootstrap</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Proposition 5.22</td>
              <td>deltaForced_nat, deltaForced_int, deltaForced_rat</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 6.4</td>
              <td>orbit_congruence_catalogue</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 6.7</td>
              <td>recognizer_dichotomy</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Proposition 7.9</td>
              <td>catalogue_core</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 7.11</td>
              <td>nat_catalogue_forced, orbit_catalogue_forced</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 7.12</td>
              <td>nat_catalogue_markov, orbit_catalogue_markov</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Theorem 7.14</td>
              <td>nat_catalogue_classical, orbit_catalogue_classical</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Proposition 7.15</td>
              <td>markov_of_catalogue</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Proposition 7.16</td>
              <td>em_of_catalogue</td>
            </tr>
            <tr>
              <td>Corollary 7.17</td>
              <td>catalogue_markov_iff_mp, catalogue_classical_iff_em</td>
            </tr>
          </tbody>
        </table>
      </table-wrap>
      <p>At the audited commit, the declarations checked by the audit manifest, except orbit_congruence_catalogue and recognizer_dichotomy, have axiom sets contained in {propext, Quot.sound}. The two exceptions also use Classical.choice. They give the classical form of the classification, which by Corollary 7.17 is equivalent to EM. In the module DeltaKernel.RecognitionQuotientsLedger, the required logical principle is included as a hypothesis. These versions do not use Classical.choice. For fixed <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the congruence ipCon and the quotient <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are choice-free.</p>
      <p>The declarations base_initial, baseRec_injective, base_categorical, base_unique_iso, and base_rigidity use neither Classical.choice nor excluded middle. The declaration base_categorical depends on no axioms. The declaration baseRec_injective is stated for a Peano realization, but its proof uses only injectivity of the step and the condition that the base point is not a successor.</p>
      <p><italic><bold>Remark</bold></italic><bold>8.1.</bold>The axiom audit does not distinguish the two prices separated in Section 7.3. In Lean, EM and arbitrary propositional decidability both appear as a dependency on Classical.choice. In the ledger formalization, the required principle is included as a hypothesis, so the two prices remain separate. </p>
    </sec>
    <sec id="sec9">
      <title>9. Conclusions</title>
      <p>We separated a distinction witness from the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit. A distinction witness gives two unequal elements, but it gives no operation which can be iterated. The <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit is instead generated from the empty record 0 by the one-step extension <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Its inductive definition yields successor nonzero, successor injectivity, and induction. Together with the recursively defined operations + and ∙, it presents the natural-number object <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Moreover, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is initial among <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -algebras. If the step is injective and the base point is not in its image, the canonical homomorphism from <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is injective. Hence every such realization contains a canonical copy of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If the realization also satisfies induction, it is uniquely isomorphic to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus the Peano conditions characterize the generated <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -orbit; they do not produce a different arithmetic object.</p>
      <p>Arithmetic, in the form of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , is thus the canonical object generated by iterated distinction. The Peano conditions characterize this object up to a unique isomorphism rather than provide a second construction of the natural numbers. Each element of the orbit records a finite number of successive distinction steps, and the later stages of the number tower are constructed explicitly from these records by quotient constructions. The classification of recognition quotients carries an exact metatheoretic logical cost, and the reverse implications show that the Markov and excluded-middle prices are exact.</p>
      <p>The corresponding <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -calculus is an intuitionistic first-order proof system over the signature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Its term algebra is free on the de Bruijn variables. Each derivation carries a ledger, and the forced fragment is sound in the standard model <inline-formula><mml:math><mml:mi mathvariant="fraktur"> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>We then constructed the choice-free tower <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ↪<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℤ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ↪<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℚ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The metatheoretic number systems <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℕ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℤ </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> ℚ </mml:mi></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math><mml:mi> δ </mml:mi></mml:math></inline-formula> -encodable. The tower constructions and the explicit encodings use no choice principle. The continuum remains the next unresolved boundary, since the Cauchy and Dedekind constructions need not be equivalent constructively.</p>
      <p>We also classified the recognition quotients of the additive monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Assuming EM, every recognizer <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∗ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is either injective or has kernel congruence <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a unique pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In the second case, its recognition quotient is isomorphic to the finite monogenic monoid <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Finally, the classification of the recognition quotients admits three forms. A decidable congruence together with an explicit pair of distinct related elements implies the classification without additional nonconstructive principles. For a decidable congruence which is not equality, it is conditional on MP. For an arbitrary congruence, the dichotomy between equality and an index-period congruence is conditional on EM. The reverse implications show that MP and EM are also necessary, so these metatheoretic logical prices are exact. The decidability assumption is classically redundant, but constructively it separates the Markov form from the excluded-middle form. This distinction is not visible to the axiom audit of the host system.</p>
    </sec>
    <sec id="sec10">
      <title>Acknowledgements</title>
      <p>The authors thank Elshad Allahyarov for his valuable comments on an earlier version of the paper. The authors also thank the anonymous referees for their helpful comments, which improved the manuscript. </p>
    </sec>
    <sec id="sec11">
      <title>Author Contributions</title>
      <p>Conceptualization, J.W.; Methodology, J.W. and M.Z.; Software, J.W.; Validation, J.W. and M.Z.; Formal Analysis, M.Z. and J.W.; Investigation, J.W. and M.Z.; Resources, J.W.; Writing—Original Draft Preparation, J.W.; Writing—Review and Editing, M.Z. and J.W.; Funding Acquisition, J.W. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. </p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Spencer-Brown, G. (1969) Laws of Form. George Allen and Unwin.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Spencer-Brown, G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1969</year>
            <article-title>Laws of Form</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wengert, R.G. (1965) The Development of the Doctrine of the Formal Distinction in the Lectura Prima of John Duns Scotus. <italic>Monist</italic>, 49, 571-587. https://doi.org/10.5840/monist196549435 <pub-id pub-id-type="doi">10.5840/monist196549435</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.5840/monist196549435">https://doi.org/10.5840/monist196549435</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wengert, R.G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1965</year>
            <article-title>The Development of the Doctrine of the Formal Distinction in the Lectura Prima of John Duns Scotus</article-title>
            <source>Monist</source>
            <volume>49</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.5840/monist196549435</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wheeler, J.A. (1992) Recent Thinking about the Nature of the Physical World: It from Bit. <italic>Annals</italic><italic>of</italic><italic>the</italic><italic>New</italic><italic>York</italic><italic>Academy</italic><italic>of</italic><italic>Sciences</italic>, 655, 349-364. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1992.tb17083.x <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1749-6632.1992.tb17083.x</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1992.tb17083.x">https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1992.tb17083.x</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wheeler, J.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>1992</year>
            <article-title>Recent Thinking about the Nature of the Physical World: It from Bit</article-title>
            <source>Annals of the New York Academy of Sciences</source>
            <volume>655</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1749-6632.1992.tb17083.x</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Crvenković, S., Mitrović, M. and Romano, D.A. (2013) Semigroups with Apartness. <italic>Mathematical</italic><italic>Logic</italic><italic>Quarterly</italic>, 59, 407-414. https://doi.org/10.1002/malq.201200107 <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/malq.201200107</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/malq.201200107">https://doi.org/10.1002/malq.201200107</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Romano, D.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2013</year>
            <article-title>Semigroups with Apartness</article-title>
            <source>Mathematical Logic Quarterly</source>
            <volume>59</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/malq.201200107</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Crvenković, S., Mitrović, M. and Romano, D.A. (2016) Basic Notions of (Constructive) Semigroups with Apartness. <italic>Semigroup</italic><italic>Forum</italic>, 92, 659-674. https://doi.org/10.1007/s00233-016-9776-y <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00233-016-9776-y</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00233-016-9776-y">https://doi.org/10.1007/s00233-016-9776-y</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Romano, D.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2016</year>
            <article-title>Basic Notions of (Constructive) Semigroups with Apartness</article-title>
            <source>Semigroup Forum</source>
            <volume>92</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00233-016-9776-y</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Mitrović, M., Hounkonnou, M.N. and Baroni, M.A. (2022) Theory of Constructive Semigroups with Apartness—Foundations, Development and Practice. <italic>Fundamenta</italic><italic>Informaticae</italic>, 184, 233-271. https://doi.org/10.3233/fi-2021-2098 <pub-id pub-id-type="doi">10.3233/fi-2021-2098</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3233/fi-2021-2098">https://doi.org/10.3233/fi-2021-2098</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Hounkonnou, M.N.</string-name>
              <string-name>Baroni, M.A.</string-name>
              <string-name>Foundations, D</string-name>
            </person-group>
            <year>2022</year>
            <article-title>Theory of Constructive Semigroups with Apartness—Foundations, Development and Practice</article-title>
            <source>Fundamenta Informaticae</source>
            <volume>184</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3233/fi-2021-2098</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Martin-Löf, P. (1984) Intuitionistic Type Theory. Bibliopolis.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <year>1984</year>
            <article-title>Intuitionistic Type Theory</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Coquand, T. and Huet, G. (1988) The Calculus of Constructions. <italic>Information</italic><italic>and</italic><italic>Computation</italic>, 76, 95-120. https://doi.org/10.1016/0890-5401(88)90005-3 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0890-5401(88)90005-3</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/0890-5401(88)90005-3">https://doi.org/10.1016/0890-5401(88)90005-3</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Coquand, T.</string-name>
              <string-name>Huet, G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1988</year>
            <article-title>The Calculus of Constructions</article-title>
            <source>Information and Computation</source>
            <volume>5401</volume>
            <issue>88</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0890-5401(88)90005-3</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Ishihara, H. (2006) Reverse Mathematics in Bishop’s Constructive Mathematics. <italic>Philosophia</italic><italic>Scientiae</italic>, 6, 43-59. https://doi.org/10.4000/philosophiascientiae.406 <pub-id pub-id-type="doi">10.4000/philosophiascientiae.406</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.4000/philosophiascientiae.406">https://doi.org/10.4000/philosophiascientiae.406</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Ishihara, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2006</year>
            <article-title>Reverse Mathematics in Bishop’s Constructive Mathematics</article-title>
            <source>Philosophia Scientiae</source>
            <volume>6</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.4000/philosophiascientiae.406</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Diener, H. (2018) Constructive Reverse Mathematics: Habilitationsschrift, Universität Siegen. arXiv:1804.05495.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Diener, H.</string-name>
              <string-name>Habilitationsschrift, U</string-name>
            </person-group>
            <year>2018</year>
            <article-title>Constructive Reverse Mathematics: Habilitationsschrift, Universität Siegen</article-title>
            <fpage>1804</fpage>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Lawvere, F.W. (1964) An Elementary Theory of the Category of Sets. <italic>Proceedings</italic><italic>of</italic><italic>the</italic><italic>National</italic><italic>Academy</italic><italic>of</italic><italic>Sciences</italic>, 52, 1506-1511. https://doi.org/10.1073/pnas.52.6.1506 <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.52.6.1506</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16591243</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1073/pnas.52.6.1506">https://doi.org/10.1073/pnas.52.6.1506</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Lawvere, F.W.</string-name>
            </person-group>
            <year>1964</year>
            <article-title>An Elementary Theory of the Category of Sets</article-title>
            <source>Proceedings of the National Academy of Sciences</source>
            <volume>52</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.52.6.1506</pub-id>
            <pub-id pub-id-type="pmid">16591243</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Barendregt, H.P. (1984) The Lambda Calculus: Its Syntax and Semantics. In: <italic>Studies in Logic and the Foundations of Mathematics</italic>, Vol. 103, North-Holland, 621 p.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Barendregt, H.P.</string-name>
              <string-name>Mathematics, V</string-name>
            </person-group>
            <year>1984</year>
            <article-title>The Lambda Calculus: Its Syntax and Semantics</article-title>
            <source>In: Studies in Logic and the Foundations of Mathematics</source>
            <volume>621</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B13">
        <label>13.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Birkhoff, G. (1935) On the Structure of Abstract Algebras. <italic>Mathematical</italic><italic>Proceedings</italic><italic>of</italic><italic>the</italic><italic>Cambridge</italic><italic>Philosophical</italic><italic>Society</italic>, 31, 433-454. https://doi.org/10.1017/s0305004100013463 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0305004100013463</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/s0305004100013463">https://doi.org/10.1017/s0305004100013463</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Birkhoff, G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1935</year>
            <article-title>On the Structure of Abstract Algebras</article-title>
            <source>Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society</source>
            <volume>31</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0305004100013463</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B14">
        <label>14.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Clifford, A.H. and Preston, G.B. (1961) The Algebraic Theory of Semigroups, Volume I. American Mathematical Society. https://doi.org/10.1090/surv/007.1 <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/surv/007.1</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1090/surv/007.1">https://doi.org/10.1090/surv/007.1</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Clifford, A.H.</string-name>
              <string-name>Preston, G.B.</string-name>
              <string-name>Semigroups, V</string-name>
            </person-group>
            <year>1961</year>
            <article-title>The Algebraic Theory of Semigroups, Volume I</article-title>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/surv/007.1</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B15">
        <label>15.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">de Bruijn, N.G. (1972) Lambda Calculus Notation with Nameless Dummies, a Tool for Automatic Formula Manipulation, with Application to the Church-Rosser Theorem. <italic>Indagationes</italic><italic>Mathematicae</italic> ( <italic>Proceedings</italic>), 75, 381-392. https://doi.org/10.1016/1385-7258(72)90034-0 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/1385-7258(72)90034-0</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/1385-7258(72)90034-0">https://doi.org/10.1016/1385-7258(72)90034-0</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Bruijn, N.G.</string-name>
            </person-group>
            <year>1972</year>
            <article-title>Lambda Calculus Notation with Nameless Dummies, a Tool for Automatic Formula Manipulation, with Application to the Church-Rosser Theorem</article-title>
            <source>Indagationes Mathematicae (Proceedings)</source>
            <volume>7258</volume>
            <issue>72</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/1385-7258(72)90034-0</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B16">
        <label>16.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">van Dalen, D. (2013) Logic and Structure. 5th Edition, Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Dalen, D.</string-name>
              <string-name>Edition, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2013</year>
            <article-title>Logic and Structure</article-title>
            <source>5th Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B17">
        <label>17.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Bishop, E. (1967) Foundations of Constructive Analysis. McGraw-Hill.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Bishop, E.</string-name>
            </person-group>
            <year>1967</year>
            <article-title>Foundations of Constructive Analysis</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B18">
        <label>18.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Washburn, J., Zlatanović, M. and Allahyarov, E. (2026) Recognition Geometry. <italic>Axioms</italic>, 15, Article 90. https://doi.org/10.3390/axioms15020090 <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/axioms15020090</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3390/axioms15020090">https://doi.org/10.3390/axioms15020090</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Washburn, J.</string-name>
              <string-name>Allahyarov, E.</string-name>
            </person-group>
            <year>2026</year>
            <article-title>Recognition Geometry</article-title>
            <source>Axioms</source>
            <volume>15</volume>
            <elocation-id>90</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/axioms15020090</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B19">
        <label>19.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Moura, L.d. and Ullrich, S. (2021) The Lean 4 Theorem Prover and Programming Language. In: Platzer, A. and Sutcliffe, G., Eds., <italic>Lecture</italic><italic>Notes</italic><italic>in</italic><italic>Computer</italic><italic>Science</italic>, Springer International Publishing, 625-635. https://doi.org/10.1007/978-3-030-79876-5_37 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-030-79876-5_37</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-030-79876-5_37">https://doi.org/10.1007/978-3-030-79876-5_37</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Moura, L.</string-name>
              <string-name>Ullrich, S.</string-name>
              <string-name>Platzer, A.</string-name>
              <string-name>Sutcliffe, G.</string-name>
              <string-name>Science, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2021</year>
            <article-title>The Lean 4 Theorem Prover and Programming Language</article-title>
            <source>In: Platzer</source>
            <volume>625</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-030-79876-5_37</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B20">
        <label>20.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">The Mathlib Community (2020) The Lean Mathematical Library. <italic>Proceedings of the</italic>9 <italic>th</italic><italic>ACM SIGPLAN International Conference on Certified Programs and Proofs</italic>, New Orleans, 20-21 January 2020, 367-381. https://doi.org/10.1145/3372885.3373824 <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/3372885.3373824</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1145/3372885.3373824">https://doi.org/10.1145/3372885.3373824</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Proofs, N</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>The Lean Mathematical Library</article-title>
            <source>Proceedings of the 9th ACM SIGPLAN International Conference on Certified Programs and Proofs</source>
            <volume>20</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/3372885.3373824</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>