首頁>Club>
4
回覆列表
  • 1 # 思考思考的動物

    先回答題主的問題:函子簡單的來說,就是範疇之間的對映,具體分析如下:

    函子

    根據以往經驗,初步給出函子的定義為,

    給定兩個範疇 CD,如果 從 C 的態射 到 D 的態射 的 對映 F: MorC → MorD 能夠保持 複合運算,即,滿足條件1:

    F(gf) = F(g)F(f)

    則稱 F 是 CD 的函子。

    條件1 隱含下面的條件(若非,如此條件1,將會沒有意義):

    如果 cod f = dom g 則 cod F(f) = dom F(g)。

    考慮,如果 cod f = A = cod f",則 cod f = dom 1ᴀ = cod f",再根據隱含條件,有 cod F(f) = dom F(Iᴀ) = cod F(f"),於是我們得到:

    如果 cod f = cod f" 則 cod F(f) = cod F(f")。

    同理,還可以得到:

    如果 dom g = dom g" 則 dom F(g) = dom F(g")。

    上面的性質說明,函子 F 保持共端不變性,即,有共同端點的 態射 對映後 依然保持 有共同端點。於是,函子 F 也可以看成 範疇物件 之間的對映,即, F: ObC → ObD

    根據,範疇的定義:

    假設 A 有兩個 么態射 1ᴀ 和 1"ᴀ,則 當 1ᴀ 視為 么態射時,有 1ᴀ1"ᴀ = 1"ᴀ,當 1"ᴀ 視為 么態射時,有 1ᴀ1"ᴀ = 1ᴀ,兩個等式聯立,就得到 1ᴀ = 1"ᴀ。

    這樣,我們就證明:每一個物件 A 對應 唯一的 么態射 1ᴀ,根據 么態射的唯一性,我們可以定義:

    F(A) = dom F(1ᴀ) = cod F(1ᴀ)

    這樣以來,函子 F 就既是態射之間的對映又是物件之間的對映,因此 我們乾脆 將 函子 記為, F: CD

    再考慮,因為 F(f) F(1ᴀ) = F(f1ᴀ) = F(f), F(1ᴀ)F(f) = F(1ᴀf) = F(f),所以 當 F 是滿射時, F(1ᴀ) 一定是 F(A) 的么態射 1ғ₍ᴀ₎,即,

    F(1ᴀ) = 1ғ₍ᴀ₎

    為了讓非滿射 和 滿射保持一致,將 上面的 等式,作為條件2,加入函子定義。最終,我們就得到函子的完整版定義:

    給定兩個範疇 CD,如果 從 C 的態射 到 D 的態射 的 對映 F: MorC → MorD,滿足

    F(gf) = F(g)F(f)

    F(1ᴀ) = 1ғ₍ᴀ₎

    其中, F: ObC → ObD 定義為:

    F(A) = dom F(1ᴀ) = cod F(1ᴀ)

    則,稱 F 是 CD 的函子,記為 F: CD,交換圖如下:

    接下來看一些函子的例項:

    ◆恆等函子

    任意一個範疇 C 上態射集到自身的恆等對映 id:MorC → MorC, id(f) = f,滿足函子的條件:

    id(gf) = gf = id(g)id(f) , id(A) = dom(id(Iᴀ)) = A,id(Iᴀ) = Iᴀ = I_{id(A)}

    稱為 id 為 C 上的恆等函子,記為 1

    ◆含入函子

    對於任意兩個範疇 CD,如果 MorC ⊆ MorD 則稱 CD 的子範疇,記為 CD (如,前面的 LifeGLifeSet),這時,可以驗證, 含入對映 i: MorC → MorD, i(f) = f 滿足函子的條件, 於是 稱 i 為 C 到 D 的 含入函子。

    ◆常函子

    對於 D 中的任意物件 A,可以 常值對映 F:MorC ⊆ MorD, F(f) = 1ᴀ,F顯然滿足函子的條件,於是稱 F 為常函子。

    ◆忘卻函子

    全體 群 與 群同態,構成一個範疇,記為 Grp,而我們知道 群 與 群同態 首先 是 集合 與 對映,於是,自然就有一 個從 GrpSet 的函子,它將 Grp 中 群同態 對映為 Set 中的自己,稱這類函子 為 忘卻函子。

    ◆複合函子

    函子本來就是 對映,既然對映可以複合,那麼函子也可以,可以證明 函子的複合 任然是 函子,稱這樣的函子為複合函子。

    如果將 所有 範疇 看成物件,所有函子 看出態射,則 函子的複合,滿足 範疇的複合運算 條件,而 每個 範疇的 恆等函子 是 該範疇的 么態射,於是 構成 一個全體範疇的大範疇。

    大範疇也是範疇,因此 大範疇的物件包括自己,而《公理集合論》規定,一個集合不能直接或間接的包含自己,這種包含自己的“集合”稱為 真類,類 = 集合 + 真類。

    對於一個範疇C,如果 ObC 和 MorC 都是 集合,則稱 C 是小范疇,否則就是 大範疇。

    有全體小范疇 和 它們之間的函子 構成的範疇,記為 CatCat 一定不是小范疇,因為:假設 Cat 是小范疇,則 Cat ∈ ObCat,於是 ObCat 就不是集合,即,Cat不是小范疇,矛盾。

    ◆冪等函子

    我們將 一個 集合 A 的 所有子集 組成的 集合 稱為 A 的冪集,記為 2ᴬ,例如:A = {0, 1},2ᴬ = {∅, {0}, {1}, {0, 1}}。

    對於任意 對映 f : A → B, 我們都可以引出對映 ƒ : 2ᴬ → 2ᴮ,

    ƒ(X) = {f(x) | x ∈ X }, X ⊆ A (X ∈ 2ᴬ )

    例如:設 B = {a, b}, f = 0 ↦ a, 1 ↦ a,則 ƒ = ∅ ↦ ∅, {0}, {1} , {0, 1} ↦ {a}。

    如果 定義 P: MorSet → MorSet, P(f) = ƒ,則可以驗證 P 滿足函子條件,我們 稱 P 為 冪等函子。

    協變與反變

    考慮冪等函子的定義過程,其實,我們還可以從 f 引出另外一個對映 ƒ": 2ᴮ → 2ᴬ,

    ƒ"(Y) = {x ∈ X | f(x) ∈ Y}, Y ⊆ B (Y ∈ 2ᴮ )

    就上例,ƒ" = ∅, {b} ↦ ∅, {a}, {a, b} ↦ {0, 1}。

    如果 定義 Q: MorSet → MorSet, Q(f) = ƒ",我們發現,Q 在函子條件2 上 和 P 沒有差別:

    P(A) = Q(A) = 2ᴬ

    但是在條件1上,卻有些許的差別:

    P(gf) = P(g)P(f)

    Q(gf) = Q(f)Q(g)

    也就是說 Q 對應過去的 箭頭 方向 和原來箭頭 剛好相反。除了這一點外,Q 都符合完全函子的定義!於是,我們也認可 Q 是函子,為了區分 稱 原來的函子為 協變函子,Q 這樣的函子為 反變函子。反變函子的定義和 協變函子的定義類似,只不過 將 條件1 改為:

    F(gf) = F(f)F(g)

    依然就上例,我們還能發現: ƒ 和 ƒ" 一一對應,方向相反,即,

    dom ƒ" = cod ƒ, cod ƒ"= dom ƒ

    但 因為

    ƒ"(ƒ({0})) = {0, 1} ≠ {0}

    所以 ƒ" 並不是 ƒ 的逆態射 ƒ⁻¹,我們 將 ƒ" 記為 ƒᵒᵖ,稱為 ƒ 的 對偶態射。

    任何一個態射 f 只要將 箭頭方向倒過來,都可以 得到一個 對偶態射 fᵒᵖ,首此啟發,如果將 範疇 C 中的 所有 態射 反向顛倒,其它保持不變,這樣就會得到一個 新的 範疇,記為 Cᵒᵖ 稱為 C 的對偶範疇。

    一個範疇 C 和它的對偶範疇 Cᵒᵖ 之間,自然存在 函子 R : CCᵒᵖ,R(f) = fᵒᵖ,R 是一個反變函子,反過來 Я : Cᵒᵖ → C,Я(fᵒᵖ) = f 也是一個反變函子。

    對於任意 函子 F: AB,複合函子 RʙF: ABᵒᵖ 的 協反性 和 F 相反,而 複合函子 RʙAᵒᵖ → Bᵒᵖ 的 協反性 和 F 相同,稱 Rʙ 為 F 的對偶函子,記為 Fᵒᵖ。

    多元函子

    給定,兩個範疇 AB,可以利用笛卡爾積定義一個新範疇,記為 A × B

    Ob(A × B) = ObA × ObB = {(A, B) | A ∈ ObA, B ∈ ObB}

    Mor(A × B) = MorA × MorB = {(f, g) | f ∈ MorA, g∈ MorB}

    dom(f, g) = (dom f, dom g), cod(f, g) = (cod f, cod g)

    (f", g")(f, g) = (f"f, g"g)

    1₍ᴀ, ʙ₎ = (1ᴀ, 1ʙ)

    A × B 為 積範疇。

    特別的,令 A⁰ = 0, A¹ = 1, ..., Aⁿ⁺¹ = Aⁿ × A ...

    我們很自然的可以定義 二元對映 F: MorA × MorB → Mor(A × B), F(f, g) = (f, g),則有,

    F(1ᴀ, 1ʙ) = (1ᴀ, 1ʙ) = 1₍ᴀ, ʙ₎

    F(f"f, g"g) = (f"f", g"g") = (f", g")(f, g)= F(f", g")F(f, g)

    F(A, B) = dom F(1ᴀ, 1ʙ) = dom(1ᴀ, 1ʙ) = (dom 1ᴀ, dom 1ʙ) = (A, B)

    大家會發現 F 具有和 函子完全類同的構成,沒錯 F 就是一個二元協變函子。

    具體多元函子的定義如下:

    給定 一組範疇 Aᵢ (i = 1, 2, ..., r) 和一個範疇 B,如果 從 Aᵢ 的態射 到 B 的態射 的 多元對映 F: MorA₁ × MorA₂ × ... × MorAᵣ → MorB,滿足

    F(g₁f₁, g₂f₂, ..., gᵣfᵣ) = F(g₁, g₂, ..., gᵣ)F(f₁, f₂, ..., fᵣ)

    F(1ᴀ₁, 1ᴀᵣ) = 1ғ₍ᴀ₁,ᴀᵣ₎

    其中, F: ObA₁ × ObA₂ × ... × ObAᵣ → ObB 定義為:

    F(A₁, ..., Aᵣ) = dom F(1ᴀ₁, ..., 1ᴀᵣ) = cod F(1ᴀ₁, ..., 1ᴀᵣ)

    則稱 F 為 r 元協變函子。如果將條件1 中 等式右邊的任意多個同序號引數互換位置,即,

    F(..., gᵢ, ...)F(..., fᵢ, ...) ↦ F(..., fᵢ, ...)F(..., gᵢ, ...)

    則 稱 F 為 r 混合函子,全部引數互換位置,就是:

    F(g₁, g₂, ..., gᵣ)F(f₁, f₂, ..., fᵣ) ↦ F(f₁, f₂, ..., fᵣ)F(g₁, g₂, ..., gᵣ)

    這時 稱 F 為 r 反變函子。

    ◆霍姆函子

    給定範疇 C 中的任意 霍姆集 Hom(A, B) 都是集合,則稱 C 為區域性小范疇,這時 Hom(A, B) 一定是 範疇 Set 的物件。

    對於 區域性小范疇 C 中的任意態射 f: A → B, g: C → D,必然有對於的 對映 h : Hom(B, C) → Hom(A, D) 定義如下:

    h(x) = gxf

    這裡 的 h 顯然是 Set 的 態射,於是我們就可以定義二元對映 H: MorC × MorC → MorSet 如下:

    H(f, g)(x) = h(x) = gxf

    則有:

    H(1ᴀ,1ʙ)(x) = 1ᴀx1ʙ = x = 1_{Hom(A, B)}

    又有:

    H(f"f, g"g)(x) = (f"f)x(g"g) = f"(fxg")g = f"(H(f, g")(x))g = H(f", g)(H(f, g")(x)) = (H(f", g)H(f, g"))(x)

    即,

    H(f"f, g"g) = H(f", g)H(f, g")

    顯然 H 是一個 混合函子,第一個引數 反變,第二個引數 協變。

    給定 C 中的物件 A,如令:

    Hᴀ(f)(x) = H(1ᴀ, f) = fx1ᴀ = fx

    Hᴬ(f)(x) = H(f, 1ᴀ) = 1ᴀxf = xf

    則,Hᴀ, Hᴬ 為 CSet 的函子,Hᴀ 協變,Hᴬ 反變。

    不知不覺,已經講到 霍姆函子啦,這個有些抽象,小石頭已經竭盡所能化繁為簡了,希望大家不要被繞暈了。

    好了,這篇回答先到這裡,關於函子還有部分內容,我們留在下一次,作為自然變換的引子來講。自然變換用於揭示函子之間的某種關係,研究起來將會非常有趣呦!

  • 中秋節和大豐收的關聯?
  • 故宮太和殿屋脊上有幾隻神獸,分別叫什麼名字?