用 範疇 A 中的 態射 A → B 來 對應 全序集 X 中的 偏序關係 A ≤ B,
用 A 中的 圖 D: J → A(J 為圖的 索引範疇) 來 對應 X 中的 子集 E,
用 以 A 為頂點 以 D 為基礎 的 錐 τ(i): A → D(i), i ∈ ObJ (以 B 為頂點 以 D 為基礎 的餘錐 σ: D(i) → B) 來對應 E 的上(下)界,
用 最大(最小)的 錐 τ(餘錐 σ),來對應 下確界 inf E(上確界 sup E),
從而 成功的引入了 極限 _ḷim D( J ) = τ(餘極限 lim_ D( J ) = σ )的概念。
由於 範疇 比 全序集 範圍大,因此 極限,是比下確界更寬鬆,也就有更豐富的特點;另外,在引入極限過程中 求取 最大 錐 的過程 和 泛對映 的定義 非常類似,這就預示著 極限 和 伴隨有 關聯,上一篇回答最後,也給出了聯絡 極限 和 伴隨的 定理;接下來我們就這兩方面繼續討論。
先澄清上篇,由於匆忙,回答沒有說清楚的地方:
考慮 圖 D: J → A 的一個 錐 τ: ObJ → MorA ,它和 自然變換的形式完全相同,所有必然 它是 某個 函子 到 圖函子 D 的自然變換。有,錐的要求:
τ(i) ∈ Hom(A, D(i))
如果 定義 以 頂點 A 為值 的常函子:
constᴀ: J → A,constᴀ(i) = A, constᴀ(f) = 1ᴀ
則 錐的要求 可改寫為:
τ(i) ∈ Hom(constᴀ(i), D(i))
這樣,錐 的定義就完全 符合 自然變換的 定義,於是 錐就是 常函子 constᴀ 到 圖函子 D 的自然變換:
τ: constᴀ → D
為了方便,我們令 A = constᴀ,則 錐 記為:
τ: A → D
類似的 餘錐 σ 是 圖函子 D 到 常函式 constʙ 的 自然變換,記為:
σ: D → B
在《數學分析》課程中,不管是 實數集 的 下確界性,即,
有下界的 子集 必有下確界;
還是 Cauchy列的性質,即,
Cauchy列 必有極限;
都是 實數 完備性的 體現。
我們 將 實數 完備性概念可以引入範疇,如下:
如果 範疇 A 中的 任意 圖 都有極限 ,則稱 A 是 完備的。
下面,我們來透過構造極限的例子,來說明 Set 對於 序列的 完備性。
一個皮亞諾算術系統可定義如下:
0 ∈ ω
後繼運算 s: ω → ω\{0}
於是,令:
1 = s(0), 2 = ss(0), 3 = sss(0), ...
這樣就構成了 自然集 ω ,同時,整個算術系統 也是一個範疇,記為 ω :
當然 ω 的對偶範疇 ωᵒᵖ 同樣也是一個範疇:
其中,p: ω\{0} → ω 稱為 前驅運算。
和《數學分析》中的序列定義類似,以 ω 或 ωᵒᵖ 為圖索引的 圖 就稱為 序列。
考慮 序列 D: ωᵒᵖ → Set,對於每個 自然數 i, 以及 前驅 p: s(i) → i, 令 Dᵢ = D(i), pᵢ = D(p),則 這個序列 {Dᵢ } 的笛卡爾積:
∏ᵢDᵢ = {(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) | xᵢ ∈ Dᵢ}
以及下標對映:
πᵢ(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) = xᵢ
構成 一個 錐形;
但 ∏ᵢDᵢ 並非 序列 {Dᵢ } 的 錐,因為 錐 還要求,滿足(令 i+1 = s(i)):
pᵢπᵢ₊₁(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) = πᵢ (x₀, x₁, ..., xᵢ, ... )
即,
pᵢ(xᵢ₊₁) = xᵢ
所有滿足上面要求 的 ∏ᵢDᵢ 中的 元素 構成 一個 集合,記為:
L = {(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) ∈ ∏ᵢDᵢ | pᵢ(xᵢ₊₁) = xᵢ }
則 L 就是 {Dᵢ } 的 一個錐 的頂點,這個錐是:
q: L → D, q(i) = pᵢ
考慮 {Dᵢ } 的任意一個 錐 τ: A → D,對於任意 a ∈ A,有 τ(i)(a) ∈ Dᵢ ,並且 由錐的條件 知 pᵢ(τ(i+1)(a)) = τ(i)(a) , 於是:
(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) ∈ L
這樣就存在唯一的對映:
h: A → L, h(a) = (τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... )
使得:
q(i)h(a) = q(i)(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) = pᵢ(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) = τ(i)(a)
q(i)h = τ(i)
於是,q 是就是 序列 {Dᵢ } 的極限,L 是 極限的頂點,記為:
lim Dᵢ = L
這說明,在 集合範疇 Set 中序列必然有極限,即,Set 對於 序列 是 完備的。
實際上,可以證明:
任意 小圖 D: J → Set, J ∈ ObCat(即,J 是小范疇) 都存在極限,於是,稱 Set 是(小)完備的。
這使得以 集合 為基礎的 範疇,例如: Grp 也都是 (小)完備的。
另外,根據前一篇回答 最後的定理,我們還可以藉由 極限的 存在性,來 推 伴隨的 存在性。
考慮,二元實函式 f: R × R → R,f(x, y) = x - y,繪製成如下圖左:
對於 每個 XY 座標平面 上的 點 (x, y) 都會 物件 Z 軸上的 一個點 z = x - y,這樣 所有的 點 (x, y, z = x - y) 構成一個平面。
再考慮,以一元實函式為值函式 g: R → (R → R), g(x) = gₓ, gₓ(y) = x - y,繪製成如上圖右,對於每個 X 軸 上的 點 x,都會有一個 和 YZ 座標平面平行的 直線 gₓ(y) = x - y 與之對應,這些 直線 構成了一個平面。
以上,兩種情況,分別 由 點 和 直線 構成的 平面,在幾何上是同一個平面,這說明 兩個 函式 等價,即,f = g,而代數上有:
f(x, y) = x - y = gₓ(y) = g(x)(y)
也證明了這一點。
我們稱 g 為 f 的 柯里化 函式。
對於任意的 二元對映 f : A × B → C, f (x, y),我們都可以 得到 f 的 柯里化 對映:
g: A → (B → C), g(x) = gₓ, gₓ = f(x, y)
以上,過程稱為 對 f 進行柯里化。
反過來,給定 任意 柯里化對映 g: A → (B → C), g(x) = gₓ, 我們也都可以得到 g 對應的 二元對映:
f : A × B → C, f (x, y) = g(x)(y)
以上,過程稱為 對 g 進行反柯里化。
柯里化 和 反柯里化 過程 可以推廣到 多元的情況,而且,這還說明 多元函式 和 柯里化函式 是一一對應的。
我們將 集合 B 到 C 的 全體 對映,記為 Cᴮ,稱為 笛卡爾冪,於是上面的 柯里化對映 g 其實就是 A 到 笛卡爾冪 Cᴮ 的對映 g: A → Cᴮ。
現在將對映升級為函子,F: A × B → C,對 F 進行柯里化的結果為 A 到 函子範疇 Funct(B, C) 的函式 G: A → Funct(B, C),顯然 ObFunct(B, C) ⊆ ObCᴼᵇᴮ,為了方便,我們將 Funct(B, C) 記為 Cᴮ。
範疇 A 中,一個帶引數的 圖 定義 為 D: J × P → A,其中 J 是 圖的索引範疇,P 是圖的引數範疇,對於 每一個引數 p ∈ ObP,都有一個 A 的 圖 Dp: J → A, Dp = D(i, p) 與之對應。如果 每個 Dp 都有極限 _lim Dp(J) = τp,設 Ap 是 τp 的頂點,即,tp: Ap → Dp ,我們 則稱 τp 為 帶引數 p 的極限。
由於,對於每個 p ∈ ObP 都有一個 Ap ∈ ObA 與之對應,於是我們可以找到一個函子 L: P → A, 讓 L 滿足:
p ↦ Ap
再考慮 D: J × P → A 的柯里化函子 R: J → Aᴾ ,則 R 可以看成 是 函子範疇 Aᴾ 中的 J 型圖,而 L 顯然是 Aᴾ 的物件。
經過數學家研究發現 L 恰恰是 極限 _lim R(J) = τ 的 頂點,即, τ: L → R。
下面 我們揭示 兩個 極限 錐 τ 和 τp 之間的關係:
首先,對於每個 p ∈ ObP 我們可以定義 一個特殊的 函子 Ep: Aᴾ → A,如下:
對於 函子範疇 Aᴾ 中 任意 物件(函子) F: P → A ,規定 Ep(F) = F(p),
對於 函子範疇 Aᴾ 中 任意 態射(自然變換) α: ObP → MorA, 規定 Ep(α) = α(p),
然後,考慮 複合函子 EpR。顯然,對於任意 i ∈ ObJ, 利用 柯里化的等價性,有:
EpR(i) = R(i)(p) = D(i, p) = Dp(i)
這說明:
EpR = Dp ①
於是 τp 等價於:
τp: Ap → EpR
接著,我們回憶 前一篇介紹的 圖常函子 K: A → Aᴶ , K 滿足:
K(A)(i) = A
K(f)(i) = f
於是,有
KL: P → Aᴶ , KL(p) = L,
這說明 KL 就是 以 L 為 值的 P 到 Aᴶ 的 常函子,即, τ 就是自然變換:
τ: KL → R
同時,對於 每個 p 有:
KL(p) = Ap
故, tp 又等價於:
tp: KL(p) → EpR
另一方面,① 意味者,如果,令 E(p) = Ep,則,對於 每個 p ∈ ObP ,都有:
E(p)R(i) = Dp(i) = R(i)(p),
ER = R
於是,tp 最終等價於:
tp: KL(p) → R(-)(p)
這樣,就有了 τ 和 τp 的關係:
τ(p) = τp
綜上,我們得到如下定理:
對於 圖 D: J × P → A,如果 帶引數的極限 _lim Dp(J) = τp, tp: Ap → Dp 存在,則 以 L: P → A, L(p) = Ap 為頂點的 錐:
τ: KL → R,τ(p) = τp,
是 D 的柯里化圖 R: J → Aᴾ 的 在函子範疇 Aᴾ 中 的 極限。
如果 範疇 A 同時 對 笛卡爾積 和 笛卡爾冪 封閉,則稱 A 為 笛卡爾封閉 範疇。
在 笛卡爾封閉範疇 A 中,對於 任意物件 A, B, C ∈ ObA 都有 A × B ∈ ObA,Cᴮ ∈ ObA,進而又因為,對於任意 態射 f ∈ Hom(A × B, C) 有 一一對應 的柯里化態射 g ∈ Hom(A, Cᴮ),所以就得到如下雙射:
Hom(A × B, C) ≌ Hom(A, Cᴮ)
升級到小范疇組成的範疇 Cat 中,對於 其中 任意 函子 F ∈ Hom(A × B, C) 則有 一一對應的 柯里化函子 G ∈ Hom(A, Cᴮ) ,於是有 雙射函子:
前面回答中,我們已經知道 在 笛卡爾封閉 範疇 中 △ ⊣ × 是一對伴隨。 下面給出另外一對伴隨:
給定 物件 B ∈ ObA,可以定義函子:
F: A → A, A ↦ A × B
U: A → A, C ↦ Cᴮ
因為,對於任意 A ∈ ObA 和 C ∈ ObA 都存在 雙射:
Hom(F(A) , C) = Hom(A × B, C) ≌ Hom(A, Cᴮ) = Hom(A , U(C))
可以驗證雙射的自然性(略),這樣就滿足伴隨定義2的要求,故,F ⊣ U 是 一對伴隨。
用 範疇 A 中的 態射 A → B 來 對應 全序集 X 中的 偏序關係 A ≤ B,
用 A 中的 圖 D: J → A(J 為圖的 索引範疇) 來 對應 X 中的 子集 E,
用 以 A 為頂點 以 D 為基礎 的 錐 τ(i): A → D(i), i ∈ ObJ (以 B 為頂點 以 D 為基礎 的餘錐 σ: D(i) → B) 來對應 E 的上(下)界,
用 最大(最小)的 錐 τ(餘錐 σ),來對應 下確界 inf E(上確界 sup E),
從而 成功的引入了 極限 _ḷim D( J ) = τ(餘極限 lim_ D( J ) = σ )的概念。
由於 範疇 比 全序集 範圍大,因此 極限,是比下確界更寬鬆,也就有更豐富的特點;另外,在引入極限過程中 求取 最大 錐 的過程 和 泛對映 的定義 非常類似,這就預示著 極限 和 伴隨有 關聯,上一篇回答最後,也給出了聯絡 極限 和 伴隨的 定理;接下來我們就這兩方面繼續討論。
錐和自然變換先澄清上篇,由於匆忙,回答沒有說清楚的地方:
考慮 圖 D: J → A 的一個 錐 τ: ObJ → MorA ,它和 自然變換的形式完全相同,所有必然 它是 某個 函子 到 圖函子 D 的自然變換。有,錐的要求:
τ(i) ∈ Hom(A, D(i))
如果 定義 以 頂點 A 為值 的常函子:
constᴀ: J → A,constᴀ(i) = A, constᴀ(f) = 1ᴀ
則 錐的要求 可改寫為:
τ(i) ∈ Hom(constᴀ(i), D(i))
這樣,錐 的定義就完全 符合 自然變換的 定義,於是 錐就是 常函子 constᴀ 到 圖函子 D 的自然變換:
τ: constᴀ → D
為了方便,我們令 A = constᴀ,則 錐 記為:
τ: A → D
類似的 餘錐 σ 是 圖函子 D 到 常函式 constʙ 的 自然變換,記為:
σ: D → B
範疇的完備性在《數學分析》課程中,不管是 實數集 的 下確界性,即,
有下界的 子集 必有下確界;
還是 Cauchy列的性質,即,
Cauchy列 必有極限;
都是 實數 完備性的 體現。
我們 將 實數 完備性概念可以引入範疇,如下:
如果 範疇 A 中的 任意 圖 都有極限 ,則稱 A 是 完備的。
下面,我們來透過構造極限的例子,來說明 Set 對於 序列的 完備性。
一個皮亞諾算術系統可定義如下:
0 ∈ ω
後繼運算 s: ω → ω\{0}
於是,令:
1 = s(0), 2 = ss(0), 3 = sss(0), ...
這樣就構成了 自然集 ω ,同時,整個算術系統 也是一個範疇,記為 ω :
當然 ω 的對偶範疇 ωᵒᵖ 同樣也是一個範疇:
其中,p: ω\{0} → ω 稱為 前驅運算。
和《數學分析》中的序列定義類似,以 ω 或 ωᵒᵖ 為圖索引的 圖 就稱為 序列。
考慮 序列 D: ωᵒᵖ → Set,對於每個 自然數 i, 以及 前驅 p: s(i) → i, 令 Dᵢ = D(i), pᵢ = D(p),則 這個序列 {Dᵢ } 的笛卡爾積:
∏ᵢDᵢ = {(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) | xᵢ ∈ Dᵢ}
以及下標對映:
πᵢ(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) = xᵢ
構成 一個 錐形;
但 ∏ᵢDᵢ 並非 序列 {Dᵢ } 的 錐,因為 錐 還要求,滿足(令 i+1 = s(i)):
pᵢπᵢ₊₁(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) = πᵢ (x₀, x₁, ..., xᵢ, ... )
即,
pᵢ(xᵢ₊₁) = xᵢ
所有滿足上面要求 的 ∏ᵢDᵢ 中的 元素 構成 一個 集合,記為:
L = {(x₀, x₁, ..., xᵢ, ... ) ∈ ∏ᵢDᵢ | pᵢ(xᵢ₊₁) = xᵢ }
則 L 就是 {Dᵢ } 的 一個錐 的頂點,這個錐是:
q: L → D, q(i) = pᵢ
考慮 {Dᵢ } 的任意一個 錐 τ: A → D,對於任意 a ∈ A,有 τ(i)(a) ∈ Dᵢ ,並且 由錐的條件 知 pᵢ(τ(i+1)(a)) = τ(i)(a) , 於是:
(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) ∈ L
這樣就存在唯一的對映:
h: A → L, h(a) = (τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... )
使得:
q(i)h(a) = q(i)(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) = pᵢ(τ(0)(a), τ(1)(a), ..., τ(i)(a), ... ) = τ(i)(a)
即,
q(i)h = τ(i)
於是,q 是就是 序列 {Dᵢ } 的極限,L 是 極限的頂點,記為:
lim Dᵢ = L
這說明,在 集合範疇 Set 中序列必然有極限,即,Set 對於 序列 是 完備的。
實際上,可以證明:
任意 小圖 D: J → Set, J ∈ ObCat(即,J 是小范疇) 都存在極限,於是,稱 Set 是(小)完備的。
這使得以 集合 為基礎的 範疇,例如: Grp 也都是 (小)完備的。
另外,根據前一篇回答 最後的定理,我們還可以藉由 極限的 存在性,來 推 伴隨的 存在性。
柯里化考慮,二元實函式 f: R × R → R,f(x, y) = x - y,繪製成如下圖左:
對於 每個 XY 座標平面 上的 點 (x, y) 都會 物件 Z 軸上的 一個點 z = x - y,這樣 所有的 點 (x, y, z = x - y) 構成一個平面。
再考慮,以一元實函式為值函式 g: R → (R → R), g(x) = gₓ, gₓ(y) = x - y,繪製成如上圖右,對於每個 X 軸 上的 點 x,都會有一個 和 YZ 座標平面平行的 直線 gₓ(y) = x - y 與之對應,這些 直線 構成了一個平面。
以上,兩種情況,分別 由 點 和 直線 構成的 平面,在幾何上是同一個平面,這說明 兩個 函式 等價,即,f = g,而代數上有:
f(x, y) = x - y = gₓ(y) = g(x)(y)
也證明了這一點。
我們稱 g 為 f 的 柯里化 函式。
對於任意的 二元對映 f : A × B → C, f (x, y),我們都可以 得到 f 的 柯里化 對映:
g: A → (B → C), g(x) = gₓ, gₓ = f(x, y)
以上,過程稱為 對 f 進行柯里化。
反過來,給定 任意 柯里化對映 g: A → (B → C), g(x) = gₓ, 我們也都可以得到 g 對應的 二元對映:
f : A × B → C, f (x, y) = g(x)(y)
以上,過程稱為 對 g 進行反柯里化。
柯里化 和 反柯里化 過程 可以推廣到 多元的情況,而且,這還說明 多元函式 和 柯里化函式 是一一對應的。
我們將 集合 B 到 C 的 全體 對映,記為 Cᴮ,稱為 笛卡爾冪,於是上面的 柯里化對映 g 其實就是 A 到 笛卡爾冪 Cᴮ 的對映 g: A → Cᴮ。
現在將對映升級為函子,F: A × B → C,對 F 進行柯里化的結果為 A 到 函子範疇 Funct(B, C) 的函式 G: A → Funct(B, C),顯然 ObFunct(B, C) ⊆ ObCᴼᵇᴮ,為了方便,我們將 Funct(B, C) 記為 Cᴮ。
帶引數的極限範疇 A 中,一個帶引數的 圖 定義 為 D: J × P → A,其中 J 是 圖的索引範疇,P 是圖的引數範疇,對於 每一個引數 p ∈ ObP,都有一個 A 的 圖 Dp: J → A, Dp = D(i, p) 與之對應。如果 每個 Dp 都有極限 _lim Dp(J) = τp,設 Ap 是 τp 的頂點,即,tp: Ap → Dp ,我們 則稱 τp 為 帶引數 p 的極限。
由於,對於每個 p ∈ ObP 都有一個 Ap ∈ ObA 與之對應,於是我們可以找到一個函子 L: P → A, 讓 L 滿足:
p ↦ Ap
再考慮 D: J × P → A 的柯里化函子 R: J → Aᴾ ,則 R 可以看成 是 函子範疇 Aᴾ 中的 J 型圖,而 L 顯然是 Aᴾ 的物件。
經過數學家研究發現 L 恰恰是 極限 _lim R(J) = τ 的 頂點,即, τ: L → R。
下面 我們揭示 兩個 極限 錐 τ 和 τp 之間的關係:
首先,對於每個 p ∈ ObP 我們可以定義 一個特殊的 函子 Ep: Aᴾ → A,如下:
對於 函子範疇 Aᴾ 中 任意 物件(函子) F: P → A ,規定 Ep(F) = F(p),
對於 函子範疇 Aᴾ 中 任意 態射(自然變換) α: ObP → MorA, 規定 Ep(α) = α(p),
然後,考慮 複合函子 EpR。顯然,對於任意 i ∈ ObJ, 利用 柯里化的等價性,有:
EpR(i) = R(i)(p) = D(i, p) = Dp(i)
這說明:
EpR = Dp ①
於是 τp 等價於:
τp: Ap → EpR
接著,我們回憶 前一篇介紹的 圖常函子 K: A → Aᴶ , K 滿足:
K(A)(i) = A
K(f)(i) = f
於是,有
KL: P → Aᴶ , KL(p) = L,
這說明 KL 就是 以 L 為 值的 P 到 Aᴶ 的 常函子,即, τ 就是自然變換:
τ: KL → R
同時,對於 每個 p 有:
KL(p) = Ap
故, tp 又等價於:
tp: KL(p) → EpR
另一方面,① 意味者,如果,令 E(p) = Ep,則,對於 每個 p ∈ ObP ,都有:
E(p)R(i) = Dp(i) = R(i)(p),
即,
ER = R
於是,tp 最終等價於:
tp: KL(p) → R(-)(p)
這樣,就有了 τ 和 τp 的關係:
τ(p) = τp
綜上,我們得到如下定理:
對於 圖 D: J × P → A,如果 帶引數的極限 _lim Dp(J) = τp, tp: Ap → Dp 存在,則 以 L: P → A, L(p) = Ap 為頂點的 錐:
τ: KL → R,τ(p) = τp,
是 D 的柯里化圖 R: J → Aᴾ 的 在函子範疇 Aᴾ 中 的 極限。
笛卡爾封閉範疇如果 範疇 A 同時 對 笛卡爾積 和 笛卡爾冪 封閉,則稱 A 為 笛卡爾封閉 範疇。
在 笛卡爾封閉範疇 A 中,對於 任意物件 A, B, C ∈ ObA 都有 A × B ∈ ObA,Cᴮ ∈ ObA,進而又因為,對於任意 態射 f ∈ Hom(A × B, C) 有 一一對應 的柯里化態射 g ∈ Hom(A, Cᴮ),所以就得到如下雙射:
Hom(A × B, C) ≌ Hom(A, Cᴮ)
升級到小范疇組成的範疇 Cat 中,對於 其中 任意 函子 F ∈ Hom(A × B, C) 則有 一一對應的 柯里化函子 G ∈ Hom(A, Cᴮ) ,於是有 雙射函子:
Hom(A × B, C) ≌ Hom(A, Cᴮ)
前面回答中,我們已經知道 在 笛卡爾封閉 範疇 中 △ ⊣ × 是一對伴隨。 下面給出另外一對伴隨:
給定 物件 B ∈ ObA,可以定義函子:
F: A → A, A ↦ A × B
U: A → A, C ↦ Cᴮ
因為,對於任意 A ∈ ObA 和 C ∈ ObA 都存在 雙射:
Hom(F(A) , C) = Hom(A × B, C) ≌ Hom(A, Cᴮ) = Hom(A , U(C))
可以驗證雙射的自然性(略),這樣就滿足伴隨定義2的要求,故,F ⊣ U 是 一對伴隨。