一些简单定义的范畴论观点
积与余积
积的历史可以追溯到古代文明,随数学的发展,从自然数的积扩展到整数、有理数、实数、多项式的积,并且保持兼容性。这个过程是自然的。
代数结构的积以笛卡尔积为基础。对两个集合 $A$,$B$,我们熟知 $A\times B = \set{(a, b) | a\in A, b\in B}$,其中 $(a, b)$ 在集合论上严格地被定义为 $\set{\set{a}, \set{a, b}}$,读者可验证我们确实可以从 $(a, b)$ 中提取出 $a$ 与 $b$ 来。
除笛卡尔积之外,我们有无交并。对实际上有交的集合,无交并在技术上可以定义为 $A\sqcup B = \set{(0, a) | a\in A}\cup \set{(1, b) | b\in B}$,其中记 $0 = \emptyset$ 及 $1 = \set{\emptyset}$.
参照集合中的情形,在类型论中,有元组 $(a:A, b:B)$ 与枚举类型 $a: A \mid b: B$,如果不严格地把类型看作值的集合,那么这其实就是笛卡尔积与无交并。
类似地,对各种代数结构可以定义直积与直和,区别在于在无穷情形,直和要求只有限个分量是非平凡的。
拓扑中,一族 $(X_i, \tau_i)$ 的积空间中的拓扑是使所有投影映射 $X\to X_i$ 连续的最粗拓扑。积拓扑的基可以由所有的 $\prod U_i, U_i\in\tau_i$ 其中只有有限个 $U_i\neq X_i$ 给出。
……
这些定义实际上体现了两种不同的泛性质。
对范畴 $\mathcal{C}$,称 $P$ 是一族 $\{X_i\}_{i\in I}$ 的积,如果存在一族态射 $\pi_i: P\to X_i$,使得对任一族态射 $\varphi_i: Y\to X_i$,存在唯一的 $\phi: Y\to P$ 使 $\pi_i \circ \phi = \varphi_i$.
特别地,在 $I = \emptyset$ 时定义空积为终对象。
易知积在同构意义下是唯一的。
积的对偶是余积(或称上积,上的译法可能来自画图时的方向;或称和),即:
称 $P$ 是一族 $\{X_i\}_{i\in I}$ 的余积,如果存在一族态射 $\iota_i: X_i\to P$,使得对任一族态射 $\varphi_i: X_i\to Y$,存在唯一的 $\phi: P\to Y$ 使 $\phi \circ \iota_i = \varphi_i$.
$I = \emptyset$ 时定义空积为始对象。
特别地,如果一族对象的积与余积相同,则称为双积。
读者可自行验证以下对应:
| 范畴 | 积 | 余积 |
|---|---|---|
| 集合范畴 | 笛卡尔积 | 无交并 |
| 向量空间范畴 | 直积 | 直和 |
| 群范畴 | 直积 | 自由积 |
| 交换群范畴 | 直积 | 直和 |
| 交换环范畴 | 直积 | 张量积 $\otimes_{\Z}$ |
| 拓扑空间范畴 | 积空间 | 无交并 |
拉回与推出
在拓扑中,对一个拓扑空间 $B$,一个 $B$ 上的空间(或称 $B$-空间)是指拓扑空间 $X$ 和连续映射 $p: X \to B$,可以将它看成一族空间 $X_b = p^{-1}(b)$(称作点 $b$ 的纤维)。两个 $B$-空间的连续 $B$-映射是满足 $p'\circ f = p$ 的连续映射 $f: X\to X'$.
对两个 $D$-空间 $(B, f: B\to D)$ 与 $(C, g: C\to D)$,称它们的纤维积是:
对 $d\in D$,考虑 $B_d\times C_d$,将它们拼成一个大空间,这也是一个 $D$-空间。
纤维积对应的是拉回。
对于对象 $B, C, D$ 与态射 $B\to D, C\to D$,它们的拉回是对象 $A$ 及态射 $A\to B, A\to C$,满足泛性质:对另一组对象 $A'$ 及态射 $A'\to B, A'\to C$,存在唯一的态射 $A'\to A$ 使图表交换。
读者容易写出两个集合的拉回是 $\set{(b, c) \in B\times C | f(b) = g(c)}$,因此一个集合的两个子集的拉回是它们的交。
读者可验证,在下图中,如果两个小方块是拉回,那么大矩形也是拉回;如果大矩形和右侧方块是拉回,那么左侧方块也是拉回。
$$ \begin{CD} \bullet @>>> \bullet @>>> \bullet \cr @VVV @VVV @VVV \cr \bullet @>>> \bullet @>>> \bullet \end{CD} $$
对 $f, g: A \to B$,称对象 $E$ 及态射 $e: E \to A$ 为它们的等化子,如果 $f\circ e = g\circ e$,且对任意满足同样性质的 $z: Z \to A$ 有唯一的态射 $Z \to E$ 使图表交换。
观察图表即可发现,$f: B \to D$ 与 $g: C \to D$ 的拉回是 $f \circ \pi_B, g \circ \pi_C: B \times C \rightrightarrows D$ 的等化子;与此同时等化子是 $\braket{1_A, f}, \braket{1_A, g}: A \to A \times B$ 的拉回。
使用拉回可以定义一般的核 $\ker f$ 概念。
对范畴 $\mathcal{C}$ 及零对象 $\mathbf{0}$,态射 $f: X\to Y$,$f$ 的核为 $f$ 与 $u: \mathbf{0} \to Y$ 的拉回。
拉回、等化子、核的对偶是推出、余等化子、余核。