В математике , а точнее в теории категорий , универсальное свойство — это свойство, характеризующее с точностью до изоморфизма результат некоторых построений. Таким образом, универсальные свойства могут быть использованы для определения некоторых объектов независимо от метода, выбранного для их построения. Например, определения целых чисел из натуральных чисел , рациональных чисел из целых чисел, действительных чисел из рациональных чисел и полиномиальных колец из поля их коэффициентов могут быть сделаны в терминах универсальных свойств. В частности, концепция универсального свойства позволяет просто доказать, что все конструкции действительных чисел эквивалентны: достаточно доказать, что они удовлетворяют одному и тому же универсальному свойству.
Технически, универсальное свойство определяется в терминах категорий и функторов посредством универсального морфизма (см. § Формальное определение, ниже). Универсальные морфизмы можно также рассматривать более абстрактно как начальные или конечные объекты категории запятой (см. § Связь с категориями запятой, ниже).
Универсальные свойства встречаются почти везде в математике, и использование этой концепции позволяет использовать общие свойства универсальных свойств для легкого доказательства некоторых свойств, которые в противном случае потребовали бы скучных проверок. Например, если задано коммутативное кольцо R , поле дробей фактор-кольца R по простому идеалу p можно отождествить с полем вычетов локализации R в точке p ; то есть (все эти конструкции можно определить с помощью универсальных свойств).
Прежде чем дать формальное определение универсальных свойств, предложим некоторую мотивацию для изучения таких конструкций.
Конкретные детали данной конструкции могут быть запутанными, но если конструкция удовлетворяет универсальному свойству, можно забыть обо всех этих деталях: все, что нужно знать о конструкции, уже содержится в универсальном свойстве. Доказательства часто становятся короткими и элегантными, если вместо конкретных деталей используется универсальное свойство. Например, тензорная алгебра векторного пространства немного сложна в построении, но с ней гораздо проще иметь дело благодаря ее универсальному свойству.
Универсальные свойства определяют объекты однозначно с точностью до единственного изоморфизма . [1] Поэтому одна из стратегий доказательства того, что два объекта изоморфны, состоит в том, чтобы показать, что они удовлетворяют одному и тому же универсальному свойству.
Универсальные конструкции функториальны по своей природе: если можно выполнить конструкцию для каждого объекта в категории C , то получится функтор на C. Более того, этот функтор является правым или левым сопряженным к функтору U, используемому в определении универсального свойства. [2]
Универсальные свойства встречаются в математике повсюду. Понимая их абстрактные свойства, можно получить информацию обо всех этих конструкциях и избежать повторения одного и того же анализа для каждого отдельного случая.
Формальное определение
Чтобы понять определение универсальной конструкции, важно рассмотреть примеры. Универсальные конструкции не были определены из воздуха, а были определены после того, как математики начали замечать закономерность во многих математических конструкциях (см. примеры ниже). Таким образом, определение может не иметь смысла на первый взгляд, но станет ясным, когда мы приведем его в соответствие с конкретными примерами.
Пусть будет функтором между категориями и . В дальнейшем пусть будет объектом , а будут объектами , а будет морфизмом в .
Тогда функтор отображает , и в в , и в .
Универсальный морфизм из в — это уникальная пара , в которой имеется следующее свойство, обычно называемое универсальным свойством :
Для любого морфизма вида в существует единственный морфизм в такой, что следующая диаграмма коммутирует :
Мы можем дуализировать эту категориальную концепцию. Универсальный морфизм из в — это уникальная пара , которая удовлетворяет следующему универсальному свойству:
Для любого морфизма вида в существует единственный морфизм в такой, что следующая диаграмма коммутативна:
Обратите внимание, что в каждом определении стрелки перевернуты. Оба определения необходимы для описания универсальных конструкций, которые появляются в математике; но они также возникают из-за присущей двойственности, присутствующей в теории категорий. В любом случае мы говорим, что пара, которая ведет себя так, как указано выше, удовлетворяет универсальному свойству.
Связь с категориями запятых
Универсальные морфизмы можно более кратко описать как начальные и конечные объекты в категории запятых (т.е. в категории, где морфизмы рассматриваются как объекты сами по себе).
Пусть будет функтором и объектом . Тогда вспомним, что категория запятой — это категория, где
Объекты представляют собой пары вида , где объект находится в
Морфизм из в задается морфизмом в таким образом, что диаграмма коммутирует:
Теперь предположим, что объект в является начальным. Тогда для каждого объекта существует уникальный морфизм такой, что следующая диаграмма коммутирует.
Обратите внимание, что равенство здесь просто означает, что диаграммы одинаковы. Также обратите внимание, что диаграмма справа от равенства в точности совпадает с той, что предлагается при определении универсального морфизма из в . Таким образом, мы видим, что универсальный морфизм из в эквивалентен исходному объекту в категории запятых .
И наоборот, помните, что категория запятой — это категория, где
Объекты представляют собой пары вида , где находится объект в
Морфизм из в задается морфизмом в таким образом, что диаграмма коммутирует:
Предположим, что является конечным объектом в . Тогда для каждого объекта существует уникальный морфизм, такой что следующие диаграммы коммутируют.
Диаграмма в правой части равенства — это та же диаграмма, которая изображена при определении универсального морфизма из в . Следовательно, универсальный морфизм из в соответствует терминальному объекту в категории запятых .
Примеры
Ниже приведены несколько примеров, чтобы подчеркнуть общую идею. Читатель может построить множество других примеров, обратившись к статьям, упомянутым во введении.
«Любое линейное отображение из в алгебру может быть единственным образом продолжено до гомоморфизма алгебры из в ».
Это утверждение является исходным свойством тензорной алгебры, поскольку оно выражает тот факт, что пара , где — отображение включения, является универсальным морфизмом из векторного пространства в функтор .
Поскольку эта конструкция работает для любого векторного пространства , мы заключаем, что является функтором из -Vect в -Alg . Это означает, что является левым сопряженным к забывающему функтору (см. раздел ниже о связи с сопряженными функторами).
на и . Тогда — универсальный морфизм из в объект : если — любой морфизм из в , то он должен быть равен морфизму из
в , за которым следует . Как коммутативная диаграмма:
Для примера декартова произведения в Set морфизм включает две проекции и . Для любого множества и функций единственное отображение, такое что требуемая диаграмма коммутирует, задается как . [3]
Пределы и копределы
Категориальные произведения — это особый вид предела в теории категорий. Можно обобщить приведенный выше пример на произвольные пределы и копределы.
— это функтор, который отображает каждый объект в в постоянный функтор (т.е. для каждого в и для каждого в ), а каждый морфизм в в естественное преобразование в , определяемое как для каждого объекта из компонент
в . Другими словами, естественное преобразование определяется наличием постоянного компонента для каждого объекта из .
При наличии функтора (рассматриваемого как объект в ), предел , если он существует, есть не что иное, как универсальный морфизм из в . Двойственно, копредел является универсальным морфизмом из в .
Характеристики
Существование и уникальность
Определение величины не гарантирует ее существования. При наличии функтора и объекта из может существовать или не существовать универсальный морфизм из в . Однако, если универсальный морфизм существует, то он по существу уникален. В частности, он уникален с точностью до уникального изоморфизма : если — другая пара, то существует уникальный изоморфизм такой, что . Это легко увидеть , подставив в определение универсального морфизма.
Это пара, которая по сути уникальна в этом смысле. Сам объект уникален только с точностью до изоморфизма. Действительно, если — универсальный морфизм и — любой изоморфизм, то пара , где — также универсальный морфизм.
Эквивалентные формулировки
Определение универсального морфизма можно перефразировать множеством способов. Пусть будет функтором и пусть будет объектом . Тогда следующие утверждения эквивалентны:
является представлением , где его компоненты определяются как
для каждого объекта в
Отношение к сопряженным функторам
Предположим, что — универсальный морфизм из в , а — универсальный морфизм из в . По универсальному свойству универсальных морфизмов для любого морфизма существует единственный морфизм, такой что следующая диаграмма коммутирует:
Если каждый объект допускает универсальный морфизм в , то присваивание и определяет функтор . Затем отображения определяют естественное преобразование из (тождественного функтора в ) в . Затем функторы представляют собой пару сопряженных функторов , с левосопряжённым к и правосопряжённым к .
Аналогичные утверждения применимы к двойственной ситуации терминальных морфизмов из . Если такие морфизмы существуют для каждого из , то получается функтор , который является правосопряженным к (а значит , и левосопряженным к ).
Действительно, все пары сопряженных функторов возникают из универсальных конструкций таким образом. Пусть и — пара сопряженных функторов с единицей и коединицей
(см. статью о сопряженных функторах для определений). Тогда мы имеем универсальный морфизм для каждого объекта в и :
Для каждого объекта в , есть универсальный морфизм из в . То есть, для всех существует единственный , для которого следующие диаграммы коммутируют.
Для каждого объекта в , есть универсальный морфизм из в . То есть, для всех существует единственный , для которого следующие диаграммы коммутируют.
Универсальные конструкции являются более общими, чем пары сопряженных функторов: универсальная конструкция подобна задаче оптимизации; она порождает сопряженную пару тогда и только тогда, когда эта задача имеет решение для каждого объекта из (эквивалентно, для каждого объекта из ).
История
Универсальные свойства различных топологических конструкций были представлены Пьером Самуэлем в 1948 году. Позднее они были широко использованы Бурбаки . Тесно связанное понятие сопряженных функторов было введено независимо Дэниелом Каном в 1958 году.
^ См., например, Polcino & Sehgal (2002), стр. 133. упражнение 1, об универсальном свойстве групповых колец .
^ Фонг, Брендан; Спивак, Дэвид И. (2018-10-12). «Семь набросков композиционности: приглашение к прикладной теории категорий». arXiv : 1803.05316 [math.CT].
Mac Lane, Saunders (1998). Категории для работающих математиков . Graduate Texts in Mathematics 5 (2nd ed.). Springer. ISBN 0-387-98403-8.
Борсо, Ф. Справочник по категориальной алгебре: том 1. Основы теории категорий (1994) Cambridge University Press, (Энциклопедия математики и ее приложений) ISBN 0-521-44178-1