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).
Прежде чем дать формальное определение универсальных свойств, мы предложим некоторые мотивы для изучения таких конструкций.
Конкретные детали данной конструкции могут быть беспорядочными, но если конструкция удовлетворяет универсальному свойству, обо всех этих деталях можно забыть: все, что нужно знать о конструкции, уже содержится в универсальном свойстве. Доказательства часто становятся короткими и изящными, если использовать универсальное свойство, а не конкретные детали. Например, тензорную алгебру векторного пространства немного сложно построить, но с ней гораздо проще справиться благодаря ее универсальному свойству.
Универсальные свойства определяют объекты однозначно с точностью до уникального изоморфизма . [1] Следовательно, одна из стратегий доказательства изоморфности двух объектов состоит в том, чтобы показать, что они удовлетворяют одному и тому же универсальному свойству.
Универсальные конструкции носят функториальный характер: если можно выполнить построение для каждого объекта категории C , то получается функтор на C . Более того, этот функтор является правым или левым сопряженным функтору U , используемому при 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 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 :
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:
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
Объекты представляют собой пары вида , где находится объект в
Морфизм из в задается морфизмом в таком, что диаграмма коммутирует:
Теперь предположим, что объект в является начальным. Тогда для каждого объекта существует единственный морфизм, такой, что следующая диаграмма коммутирует.
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
Объекты — это пары вида где находится объект в
Морфизм из в задается морфизмом в таком, что диаграмма коммутирует:
Предположим , это терминальный объект в . Тогда для каждого объекта существует единственный морфизм, такой, что следующие диаграммы коммутируют.
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.
«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).
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:
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.
— 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:
является представлением , где его компоненты определяются формулой
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:
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 :
Для каждого объекта в , является универсальным морфизмом от до . То есть для всех существует единственное, для которого коммутируют следующие диаграммы.
Для каждого объекта в , является универсальным морфизмом от до . То есть для всех существует единственное, для которого коммутируют следующие диаграммы.
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.
^ См., например, Polcino & Sehgal (2002), с. 133. Упражнение 1, об универсальности групповых колец .
^ Фонг, Брендан; Спивак, Дэвид И. (12 октября 2018 г.). «Семь очерков композиционности: приглашение к прикладной теории категорий». arXiv : 1803.05316 [math.CT].
Мак Лейн, Сондерс (1998). Категории для работающего математика . Тексты для аспирантов по математике 5 (2-е изд.). Спрингер. ISBN 0-387-98403-8.
Борсо, Ф. Справочник по категориальной алгебре: том 1 Основная теория категорий (1994) Издательство Кембриджского университета, (Энциклопедия математики и ее приложений) ISBN 0-521-44178-1