stringtranslate.com

Предел (теория категорий)

В теории категорий , разделе математики , абстрактное понятие предела охватывает существенные свойства универсальных конструкций , таких как произведения , обратные отступы и обратные пределы . Двойственное понятие копредела обобщает конструкции , такие как непересекающиеся объединения , прямые суммы , копроизведения , выталкивания и прямые пределы .

Пределы и копределы, как и тесно связанные понятия универсальных свойств и сопряженных функторов , существуют на высоком уровне абстракции. Чтобы понять их, полезно сначала изучить конкретные примеры, которые эти концепции призваны обобщать.

Определение

Пределы и копределы в категории определяются с помощью диаграмм в . Формально диаграмма формы в является функтором из в :

Категория рассматривается как индексная категория , а диаграмма рассматривается как индексация коллекции объектов и морфизмов , сформированных по образцу .

Чаще всего интерес представляет случай, когда категория является малой или даже конечной категорией. Диаграмма считается малой или конечной всякий раз, когда это так.

Пределы

Пусть будет диаграммой формы в категории . Конус в является объектом вместе с семейством морфизмов, индексированных объектами , таким образом, что для каждого морфизма в , мы имеем .

Пределом диаграммы является конус к , такой что для каждого конуса к существует единственный морфизм, такой что для всех в .

Универсальный конус
Универсальный конус

Говорят, что конус факторизуется через конус с уникальной факторизацией . Морфизм иногда называют опосредующим морфизмом .

Пределы также называются универсальными конусами , поскольку они характеризуются универсальным свойством (см. ниже для получения дополнительной информации). Как и в случае с каждым универсальным свойством, приведенное выше определение описывает сбалансированное состояние общности: предельный объект должен быть достаточно общим, чтобы позволить любому конусу факторизоваться через него; с другой стороны, должен быть достаточно конкретным, чтобы для каждого конуса была возможна только одна такая факторизация.

Пределы также могут быть охарактеризованы как конечные объекты в категории конусов F.

Возможно, что диаграмма вообще не имеет предела. Однако, если диаграмма имеет предел, то этот предел по сути уникален: он уникален с точностью до единственного изоморфизма . По этой причине часто говорят о пределе F .

Coпределы

Двойственные понятия пределов и конусов — это копределы и коконы. Хотя их определения легко получить, инвертируя все морфизмы в приведенных выше определениях, мы явно сформулируем их здесь:

Коконус диаграммы — это объект вместе с семейством морфизмов

для каждого объекта из , такого, что для каждого морфизма из , мы имеем .

Колимп диаграммы — это коконус , такой что для любого другого коконуса существует единственный морфизм такой, что для всех из .

Универсальный ко-конус
Универсальный ко-конус

Копределы также называются универсальными коконусами . Их можно охарактеризовать как начальные объекты в категории коконусов из .

Как и в случае с пределами, если диаграмма имеет копредел, то этот копредел единственен с точностью до единственного изоморфизма.

Вариации

Пределы и копределы также могут быть определены для коллекций объектов и морфизмов без использования диаграмм. Определения те же самые (обратите внимание, что в определениях выше нам никогда не нужно было использовать композицию морфизмов в ). Однако эта вариация не добавляет никакой новой информации. Любая коллекция объектов и морфизмов определяет (возможно, большой) ориентированный граф . Если мы позволим быть свободной категорией , сгенерированной , то существует универсальная диаграмма, изображение которой содержит . Предел (или копредел) этой диаграммы такой же, как предел (или копредел) исходной коллекции объектов и морфизмов.

Слабый предел и слабые копределы определяются так же, как пределы и копределы, за исключением того, что свойство уникальности опосредующего морфизма отбрасывается.

Примеры

Пределы

Определение пределов достаточно общее , чтобы включить несколько конструкций, полезных в практических условиях. Далее мы рассмотрим предел ( L , φ ) диаграммы F  : JC.

x является топологическим пределом A тогда и только тогда, когда A является категориальным пределом

Coпределы

Примерами копределов являются двойственные версии приведенных выше примеров:

Характеристики

Наличие ограничений

Заданная диаграмма F  : JC может иметь или не иметь предел (или копредел) в C. Действительно, может даже не быть конуса к F , не говоря уже об универсальном конусе.

Говорят, что категория C имеет пределы формы J , если каждая диаграмма формы J имеет предел в C. В частности, говорят, что категория C имеет

Полная категория — это категория, которая имеет все малые пределы (т.е. все пределы формы J для каждой малой категории J ).

Можно также сделать двойственные определения. Категория имеет копределы формы J , если каждая диаграмма формы J имеет копредел в C. Кополная категория — это категория, которая имеет все малые копределы.

Теорема существования пределов утверждает, что если категория C имеет уравнители и все произведения, индексированные классами Ob( J ) и Hom( J ), то C имеет все пределы формы J . [1] : §V.2 Теория 1  В этом случае предел диаграммы F  : JC может быть построен как уравнитель двух морфизмов [1] : §V.2 Теория 2 

дано (в компонентной форме)

Существует двойственная теорема существования для копределов в терминах коуравнителей и копроизведений. Обе эти теоремы дают достаточные и необходимые условия для существования всех (ко)пределов формы J.

Универсальная собственность

Пределы и копределы являются важными частными случаями универсальных конструкций .

Пусть C — категория, а J — категория малого индекса. Категория функтора C J может рассматриваться как категория всех диаграмм формы J в C . Диагональный функтор

— это функтор, который отображает каждый объект N в C в постоянный функтор Δ( N ) : JC в N. То есть, Δ( N )( X ) = N для каждого объекта X в J и Δ( N )( f ) = id N для каждого морфизма f в J .

Если задана диаграмма F : JC (рассматриваемая как объект в C J ), естественное преобразование ψ  : Δ( N ) → F (которое является просто морфизмом в категории C J ) — это то же самое, что и конус из N в F . Чтобы увидеть это, сначала отметим, что Δ( N )( X ) = N для всех X подразумевает, что компоненты ψ являются морфизмами ψ X  : NF ( X ), которые все разделяют область N . Более того, требование, чтобы диаграммы конуса коммутировали, верно просто потому, что это ψ является естественным преобразованием. (Двойственно, естественное преобразование ψ  : F → Δ( N ) — это то же самое, что и коконус из F в N .)

Таким образом, определения пределов и копределов можно переформулировать в виде:

Придаточные предложения

Как и все универсальные конструкции, образование пределов и копределов имеет функториальную природу. Другими словами, если каждая диаграмма формы J имеет предел в C (для малых J ), то существует предельный функтор

который назначает каждой диаграмме ее предел и каждому естественному преобразованию η : FG единственный морфизм lim η : lim F → lim G, коммутирующий с соответствующими универсальными конусами. Этот функтор является правым сопряженным диагональному функтору Δ : CC J . Это присоединение дает биекцию между множеством всех морфизмов из N в lim F и множеством всех конусов из N в F

что естественно в переменных N и F . Коединица этого присоединения — это просто универсальный конус из lim F в F . Если индексная категория J связна ( и непуста ) , то единица присоединения — это изоморфизм, так что lim — левая обратная к Δ. Это неверно, если J не связна. Например, если J — дискретная категория, то компонентами единицы являются диагональные морфизмы δ : NN J .

Двойственно, если каждая диаграмма формы J имеет копредел в C (для малых J ), то существует функтор копредела

который назначает каждой диаграмме ее копредел. Этот функтор является левым сопряженным к диагональному функтору Δ : CC J , и один имеет естественный изоморфизм

Единицей этого присоединения является универсальный коконус из F в colim F. Если J связен (и непуст), то коединица является изоморфизмом, так что colim является левым обратным к Δ.

Обратите внимание, что и предельный, и копредельный функторы являются ковариантными функторами.

Как представления функторов

Можно использовать функторы Hom, чтобы связать пределы и копределы в категории C с пределами в Set , категории множеств . Это следует, в частности, из того факта, что ковариантный функтор Hom Hom( N , –) : CSet сохраняет все пределы в C . По двойственности контравариантный функтор Hom должен переводить копределы в пределы.

Если диаграмма F  : JC имеет предел в C , обозначаемый lim F , то существует канонический изоморфизм

что естественно по переменной N. Здесь функтор Hom( N , F –) является композицией функтора Hom Hom( N , –) с F. Этот изоморфизм является единственным, который сохраняет предельные конусы.

Можно использовать приведенное выше соотношение для определения предела F в C. Первым шагом является наблюдение, что предел функтора Hom( N , F –) можно отождествить с множеством всех конусов от N до F :

Предельный конус задается семейством отображений π X  : Cone( N , F ) → Hom( N , FX ), где π X ( ψ ) = ψ X . Если дан объект L из C вместе с естественным изоморфизмом Φ  : Hom( L , –) → Cone(–, F ), объект L будет пределом F с предельным конусом, заданным Φ L (id L ). На причудливом языке это равносильно утверждению, что предел F является представлением функтора Cone(–, F ) : CSet .

Двойственно, если диаграмма F  : JC имеет копредел в C , обозначаемый colim F , то существует единственный канонический изоморфизм

что естественно по переменной N и уважает копредельные конусы. Отождествляя предел Hom( F –, N ) с множеством Cocone( F , N ), это отношение можно использовать для определения копредела диаграммы F как представления функтора Cocone( F , –).

Взаимообмен пределами и копределами множеств

Пусть I — конечная категория, а J — малая фильтрованная категория . Для любого бифунктора

существует естественный изоморфизм

На словах, отфильтрованные копределы в Set коммутируют с конечными пределами. Также считается, что малые копределы коммутируют с малыми пределами. [2]

Функторы и пределы

Если F  : JC — диаграмма в C , а G  : CDфунктор , то с помощью композиции (напомним, что диаграмма — это просто функтор) получается диаграмма GF  : JD. Тогда возникает естественный вопрос:

«Как пределы GF связаны с пределами F

Сохранение пределов

Функтор G  : CD индуцирует отображение из Cone( F ) в Cone( GF ): если Ψ — конус из N в F , то — конус из GN в GF . Говорят, что функтор G сохраняет пределы F , если ( GL , ) является пределом GF всякий раз, когда ( L , φ ) является пределом F . (Заметим, что если предел F не существует, то G бессмысленно сохраняет пределы F .)

Говорят, что функтор G сохраняет все пределы формы J , если он сохраняет пределы всех диаграмм F  : JC. Например, можно сказать, что G сохраняет произведения, уравнители, обратные проекции и т. д. Непрерывный функтор — это тот, который сохраняет все малые пределы.

Можно сделать аналогичные определения для копределов. Например, функтор G сохраняет копределы F, если G ( L , φ ) является копределом GF всякий раз, когда ( L , φ ) является копределом F. Конепрерывный функтор — это тот, который сохраняет все малые копределы .

Если Cполная категория , то по приведенной выше теореме о существовании пределов функтор G  : CD непрерывен тогда и только тогда, когда он сохраняет (малые) произведения и уравнители. Двойственно, G является конепрерывным тогда и только тогда, когда он сохраняет (малые) копроизведения и коуравнители.

Важным свойством сопряженных функторов является то, что каждый правый сопряженный функтор непрерывен, а каждый левый сопряженный функтор конепрерывен. Поскольку сопряженные функторы существуют в изобилии, это дает многочисленные примеры непрерывных и конепрерывных функторов.

Для заданной диаграммы F  : JC и функтора G  : CD , если и F, и GF имеют указанные пределы, то существует единственный канонический морфизм

который уважает соответствующие предельные конусы. Функтор G сохраняет пределы F тогда и только тогда, когда это отображение является изоморфизмом. Если категории C и D имеют все пределы формы J , то lim является функтором, а морфизмы τ F образуют компоненты естественного преобразования

Функтор G сохраняет все пределы формы J тогда и только тогда, когда τ является естественным изоморфизмом. В этом смысле можно сказать , что функтор G коммутирует с пределами ( с точностью до канонического естественного изоморфизма).

Сохранение пределов и копределов — это концепция, которая применима только к ковариантным функторам. Для контравариантных функторов соответствующие понятия будут функтором, который переводит копределы в пределы, или функтором, который переводит пределы в копределы.

Снятие ограничений

Говорят, что функтор G  : CD поднимает пределы для диаграммы F  : JC , если всякий раз, когда ( L , φ ) является пределом GF, существует предел ( L ′, φ ′) диаграммы F , такой что G ( L ′, φ ′) = ( L , φ ). Функтор G поднимает пределы формы J , если он поднимает пределы для всех диаграмм формы J . Поэтому можно говорить о поднятиях произведений, уравнителях, обратных протягиваниях и т. д. Наконец, говорят, что G поднимает пределы, если он поднимает все пределы. Существуют двойственные определения для поднятия копределов.

Функтор G снимает пределы единственным образом для диаграммы F, если существует единственный прообразный конус ( L ′, φ ′) такой, что ( L ′, φ ′) является пределом F и G ( L ′, φ ′) = ( L , φ ). Можно показать, что G снимает пределы единственным образом тогда и только тогда, когда он снимает пределы и является амнестическим .

Снятие пределов явно связано с сохранением пределов. Если G снимает пределы для диаграммы F и GF имеет предел, то F также имеет предел и G сохраняет пределы F . Из этого следует, что:

Двойственные утверждения для копределов одинаково справедливы.

Создание и отражение ограничений

Пусть F  : JC — диаграмма. Говорят, что функтор G  : CD

Двойственно можно определить создание и отражение копределов.

Легко видеть, что следующие утверждения эквивалентны:

Существуют примеры функторов, которые однозначно снимают ограничения, но не создают и не отражают их.

Примеры

Примечание по терминологии

В старой терминологии пределы назывались «обратными пределами» или «проективными пределами», а копределы — «прямыми пределами» или «индуктивными пределами». Это было источником большой путаницы.

Есть несколько способов запомнить современную терминологию. Во-первых,

являются типами копределов, тогда как

являются типами пределов. Во-вторых, префикс "co" подразумевает "первую переменную ". Такие термины, как "когомологии" и "кофибрация", имеют немного более сильную связь с первой переменной, т. е. контравариантной переменной, бифунктора .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Mac Lane, Saunders (1998). Категории для работающего математика . Graduate Texts in Mathematics . Vol. 5 (2nd ed.). Springer-Verlag . ISBN 0-387-98403-8. Збл  0906.18001.
  2. ^ коммутативность пределов и копределов в n Lab

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки