stringtranslate.com

Универсальная собственность

Типичная схема определения универсального морфизма.

В математике , точнее в теории категорий , универсальное свойство — это свойство, характеризующее с точностью до изоморфизма результат некоторых конструкций. Таким образом, универсальные свойства могут быть использованы для определения некоторых объектов независимо от выбранного метода их построения. Например, определения целых чисел из натуральных чисел , рациональных чисел из целых чисел, действительных чисел из рациональных чисел и колец полиномов из поля их коэффициентов — все это можно сделать с точки зрения 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 с помощью универсального морфизма (см. § Формальное определение ниже). Универсальные морфизмы также можно рассматривать более абстрактно как начальные или конечные объекты категории запятой (см. § Связь с категориями запятой ниже).

Универсальные свойства встречаются в математике почти повсюду, и использование этой концепции позволяет использовать общие свойства универсальных свойств для легкого доказательства некоторых свойств, которые в противном случае потребовали бы скучных проверок. Например, для коммутативного кольца R поле частных фактор - кольца R по простому идеалу p можно отождествить с полем вычетов локализации R в точке p ; то есть (все эти конструкции могут быть определены универсальными свойствами).

Другие объекты, которые могут быть определены универсальными свойствами, включают: все свободные объекты , прямые произведения и прямые суммы , свободные группы , свободные решетки , группу Гротендика , пополнение метрического пространства , пополнение кольца , пополнение Дедекинда – МакНила , топологии произведения , Стоун . – компактификация Чеха , тензорные произведения , обратный предел и прямой предел , ядра и коядра , факторгруппы , фактор-векторные пространства и другие фактор-пространства .

Мотивация

Прежде чем дать формальное определение универсальных свойств, мы предложим некоторые мотивы для изучения таких конструкций.

Формальное определение

Чтобы понять определение универсальной конструкции, важно рассмотреть примеры. Универсальные конструкции не были определены на пустом месте, а были определены после того, как математики начали замечать закономерности во многих математических конструкциях (см. Примеры ниже). Следовательно, определение может сначала показаться непонятным, но станет ясным, когда вы согласуете его с конкретными примерами.

Пусть – функтор между категориями и . В дальнейшем пусть - объект , и - объекты , и - морфизм в .

Затем функтор отображает , и в , и в .

Универсальный морфизм от до — это уникальная пара , обладающая следующим свойством, обычно называемым универсальным свойством :

Для любого морфизма вида в существует единственный морфизм в такой, что следующая диаграмма коммутирует :

Типичная схема определения универсального морфизма.
Типичная схема определения универсального морфизма.

Мы можем дуализировать это категориальное понятие. Универсальный морфизм от до — это уникальная пара , удовлетворяющая следующему универсальному свойству:

Для любого морфизма вида в существует единственный морфизм в такой, что следующая диаграмма коммутирует:

Самая важная стрелка здесь — «UNIQ--postMath-00000024-QINU», которая устанавливает универсальное свойство.
Самая важная стрелка здесь — это то, что устанавливает универсальное свойство.

Обратите внимание, что в каждом определении стрелки перевернуты. Оба определения необходимы для описания универсальных конструкций, возникающих в математике; но они также возникают из-за присущей теории категорий двойственности. В любом случае мы говорим, что пара , которая ведет себя так, как указано выше, обладает универсальным свойством.

Связь с категориями через запятую

Универсальные морфизмы можно описать более кратко как начальные и конечные объекты в категории запятой (т.е. такой, где морфизмы рассматриваются как самостоятельные объекты).

Пусть будет функтором и объектом . Тогда вспомните, что категория запятой — это категория, в которой

Морфизм в категории запятой задается морфизмом '"`UNIQ--postMath-00000031-QINU`"', который также делает диаграмму коммутируемой.
Морфизм в категории запятой задается морфизмом, который также делает диаграмму коммутирующей.

Теперь предположим, что объект в является начальным. Тогда для каждого объекта существует единственный морфизм, такой, что следующая диаграмма коммутирует.

Это демонстрирует связь между универсальной диаграммой и исходным объектом в категории с запятой.
Это демонстрирует связь между универсальной диаграммой и исходным объектом в категории с запятой.

Обратите внимание, что равенство здесь просто означает, что диаграммы одинаковы. Также обратите внимание, что диаграмма в правой части равенства точно такая же, как и диаграмма, предложенная при определении универсального морфизма от до . Таким образом, мы видим, что универсальный морфизм от до эквивалентен исходному объекту в категории запятой .

И наоборот, напомним, что категория запятой — это категория, в которой

Это просто демонстрирует определение морфизма в категории запятой.
Это просто демонстрирует определение морфизма в категории запятой.

Предположим , это терминальный объект в . Тогда для каждого объекта существует единственный морфизм, такой, что следующие диаграммы коммутируют.

Это показывает, что терминальный объект в определенной категории запятой соответствует универсальному морфизму.
Это показывает, что терминальный объект в определенной категории запятой соответствует универсальному морфизму.

Диаграмма в правой части равенства — это та же диаграмма, что и при определении универсального морфизма от до . Следовательно, универсальный морфизм от до соответствует терминальному объекту в категории запятой .

Примеры

Ниже приведены несколько примеров, чтобы подчеркнуть общую идею. Читатель может построить множество других примеров, обратившись к статьям, упомянутым во введении.

Тензорные алгебры

Пусть - категория векторных пространств -Vect над полем и пусть - категория алгебр -Alg над (считается унитарной и ассоциативной ). Позволять

 : -Алг-Вект

быть функтором забывчивости , который присваивает каждой алгебре ее базовое векторное пространство.

Учитывая любое векторное пространство, мы можем построить тензорную алгебру . Тензорная алгебра характеризуется тем, что:

«Любое линейное отображение из в алгебру однозначно продолжается 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 векторного пространства в функтор .

Поскольку эта конструкция работает для любого векторного пространства , мы заключаем, что это функтор от -Vect до -Alg . Это означает, что он слева сопряжен с функтором забывания (см. раздел ниже о сопряженных функторах).

Продукты

Категориальный продукт можно охарактеризовать универсальной конструкцией. Для конкретности можно рассмотреть декартово произведение в Set , прямое произведение в Grp или топологию произведения в Top , где продукты существуют.

Пусть и — объекты категории с конечными произведениями. Произведение и является объектом × вместе с двумя морфизмами

 :
 :

такой, что для любого другого объекта и морфизмов и существует единственный морфизм такой, что и .

Чтобы понять эту характеристику как универсальное свойство, возьмем категорию как категорию продукта и определим диагональный функтор.

по и . Тогда является универсальным морфизмом от к объекту : если существует какой-либо морфизм от до , то он должен равняться морфизму от до , за которым следует . В качестве коммутативной диаграммы:

Коммутативная диаграмма, показывающая, почему продукты обладают универсальными свойствами.
Коммутативная диаграмма, показывающая, почему продукты обладают универсальными свойствами.

В примере декартова произведения в Set морфизм включает в себя две проекции и . Учитывая любой набор и функции, единственное отображение, такое, что требуемая диаграмма коммутирует, определяется выражением . [3]

Пределы и копределы

Категориальные продукты представляют собой особый вид предела в теории категорий. Приведенный выше пример можно обобщить на произвольные пределы и копределы.

Пусть и — категории с категорией малого индекса , и пусть — соответствующая категория функтора . Диагональный функтор

— это функтор, который отображает каждый объект в постоянный функтор (т.е. для каждого в и для каждого в ) и каждый морфизм в в естественное преобразование в , определяемое как для каждого объекта из компонент

Учитывая функтор (думаемый как объект в ), предел , если он существует, является не чем иным, как универсальным морфизмом от до . Двойственным образом копредел является универсальным морфизмом от до .

Характеристики

Существование и уникальность

Определение количества не гарантирует его существования. Учитывая функтор и объект , может существовать или не существовать универсальный морфизм от до . Если же универсальный морфизм существует, то он по существу единственен. В частности, он уникален с точностью до единственного изоморфизма : если есть другая пара, то существует единственный изоморфизм такой, что . В этом легко убедиться, подставив в определение универсального морфизма.

В этом отношении эта пара по сути уникальна. Сам объект уникален только с точностью до изоморфизма. Действительно, если – универсальный морфизм и – любой изоморфизм, то пара , где также является универсальным морфизмом.

Эквивалентные составы

Определение универсального морфизма можно перефразировать по-разному. Пусть будет функтором и пусть будет объектом . Тогда следующие утверждения эквивалентны:

для каждого объекта в

Двойные утверждения также эквивалентны:

для каждого объекта в

Связь с сопряженными функторами

Пусть – универсальный морфизм от до и – универсальный морфизм от до . По универсальному свойству универсальных морфизмов для любого морфизма существует единственный морфизм, такой, что коммутирует следующая диаграмма:

Универсальные морфизмы могут вести себя как естественное преобразование между функторами при подходящих условиях.
Универсальные морфизмы могут вести себя как естественное преобразование между функторами при подходящих условиях.

Если каждый объект допускает универсальный морфизм в , то присваивание и определяет функтор . Затем карты определяют естественное преобразование из (тождественного функтора на ) в . Тогда функторы представляют собой пару сопряженных функторов с левосопряженным к и правосопряженным к .

Аналогичные утверждения применимы и к двойственной ситуации терминальных морфизмов из . Если такие морфизмы существуют, то для каждого в одном получается функтор , который правосопряжён к (то есть левосопряжён к ).

Действительно, все пары сопряженных функторов возникают таким образом из универсальных конструкций. Пусть и — пара сопряженных функторов с единицей и коединицей ( определения см. в статье о сопряженных функторах ). Тогда у нас есть универсальный морфизм для каждого объекта в и :

Единица и единица присоединения, являющиеся естественными преобразованиями между функторами, являются важным примером универсальных морфизмов.
Единица и единица присоединения, являющиеся естественными преобразованиями между функторами, являются важным примером универсальных морфизмов.

Универсальные конструкции более общие, чем пары сопряженных функторов: универсальная конструкция подобна задаче оптимизации; она порождает сопряженную пару тогда и только тогда, когда эта проблема имеет решение для каждого объекта (т. е. для каждого объекта из ).

История

Универсальные свойства различных топологических конструкций были представлены Пьером Самуэлем в 1948 году. Позже они широко использовались Бурбаки . Близко связанная концепция сопряженных функторов была независимо введена Дэниелом Каном в 1958 году.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Джейкобсон (2009), Предложение 1.6, с. 44.
  2. ^ См., например, Polcino & Sehgal (2002), с. 133. Упражнение 1, об универсальности групповых колец .
  3. ^ Фонг, Брендан; Спивак, Дэвид И. (12 октября 2018 г.). «Семь очерков композиционности: приглашение к прикладной теории категорий». arXiv : 1803.05316 [math.CT].

Рекомендации

Внешние ссылки