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.
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.
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 .
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 .
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 .
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.
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.
Определение пределов достаточно общее , чтобы включить несколько конструкций, полезных в практических условиях. Далее мы рассмотрим предел ( L , φ ) диаграммы F : J → C.
Примерами копределов являются двойственные версии приведенных выше примеров:
Заданная диаграмма F : J → C 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 : J → C 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.
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 ) : J → C 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 : J → C (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 : N → F ( 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:
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 : F → G единственный морфизм lim η : lim F → lim G, коммутирующий с соответствующими универсальными конусами. Этот функтор является правым сопряженным диагональному функтору Δ : C → C 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 : N → N 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 : C → C 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.
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 , –) : C → Set сохраняет все пределы в C . По двойственности контравариантный функтор Hom должен переводить копределы в пределы.
Если диаграмма F : J → C 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 ) : C → Set .
Двойственно, если диаграмма F : J → C 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 , –).
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]
Если F : J → C — диаграмма в C , а G : C → D — функтор , то с помощью композиции (напомним, что диаграмма — это просто функтор) получается диаграмма GF : J → D. Тогда возникает естественный вопрос:
Функтор G : C → D индуцирует отображение из Cone( F ) в Cone( GF ): если Ψ — конус из N в F , то GΨ — конус из GN в GF . Говорят, что функтор G сохраняет пределы F , если ( GL , Gφ ) 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 : J → C. 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 C — полная категория , то по приведенной выше теореме о существовании пределов функтор G : C → D 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 : J → C и функтора G : C → D , 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.
Говорят, что функтор G : C → D поднимает пределы для диаграммы F : J → C , 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.
Пусть F : J → C — диаграмма. Говорят, что функтор G : C → D
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.
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 .