Откат (теория категорий)

В теории категорий , разделе математики , обратный образ (также называемый расслоенным произведением , расслоенным произведением , расслоенным произведением или декартовым квадратом ) — это предел диаграммы, состоящей из двух морфизмов $f : X \to Z$ и $g : Y \to Z$ с общий кодомен. Откат написан

п знак равно Икс \times ж, Z, грамм Y

.

Обычно морфизмы $f$ и $g$ в обозначениях опускаются, и тогда обратный образ записывается

п знак равно Икс \times Z Y

.

Обратный образ снабжен двумя естественными морфизмами $P \to X$ и $P \to Y$ . Обратный образ двух морфизмов $f$ и $g$ не обязательно должен существовать, но если он существует, то он по существу однозначно определяется этими двумя морфизмами. Во многих ситуациях $X \times Z Y$ можно интуитивно представить как состоящее из пар элементов $(x, y)$ с $x$ в $X$ , $y$ в $Y$ и $f (x) = g (y)$ . Для общего определения используется универсальное свойство , которое, по сути, выражает тот факт, что обратный образ является «наиболее общим» способом завершения двух данных морфизмов до коммутативного квадрата .

Двойная концепция отката – это выталкивание .

Универсальная собственность [ править ]

Явно, образ морфизмов $f$ и $g$ состоит из объекта $P$ и двух морфизмов $p 1 : P \to X$ и $p 2 : P \to Y$ , для которых диаграмма

ездит на работу . Более того, образ $(P, p 1, p 2)$ должен быть универсальным относительно этой диаграммы. ^[1] То есть для любой другой такой тройки $(Q, q 1, q 2)$ , где $q 1 : Q \to X$ и $q 2 : Q \to Y$ являются морфизмами с $f q 1 = g q 2$ , должен существовать единственный $u : Q \to P$ такой, что

p_{1}\circ u=q_{1},\qquad p_{2}\circ u=q_{2}.

Эту ситуацию иллюстрирует следующая коммутативная диаграмма.

Как и все универсальные конструкции, обратный образ, если он существует, уникален с точностью до изоморфизма . Фактически, для данных двух обратных образов $(A, a 1, a 2)$ и $(B, b 1, b 2)$ одного и того же коспана $X \to Z \leftarrow Y$ существует уникальный изоморфизм между $A$ и $B$ относительно структуры обратного образа.

Откат и продукт [ править ]

Откат похож на продукт , но не тот же самый. Произведение можно получить, «забыв» о существовании морфизмов $f$ и $g$ объекта $Z.$ и забыв о существовании Тогда остается дискретная категория, содержащая только два объекта $X$ и $Y$ без стрелок между ними. Эту дискретную категорию можно использовать в качестве набора индексов для построения обычного двоичного произведения. Таким образом, откат можно рассматривать как обычное (декартово) произведение, но с дополнительной структурой. Вместо того, чтобы «забывать» $Z$ , $f$ и $g$ , можно также «упрощать» их, сделав $терминальным$ Z объектом (при условии, что он существует). $f$ и $g$ тогда определяются однозначно и, таким образом, не несут никакой информации, и можно увидеть, что обратный отсчет этого коспана является произведением $X$ и $Y$ .

Примеры [ править ]

Коммутативные кольца [ править ]

В категории коммутативных колец (с единицей) образ называется расслоенным произведением. Пусть $A$ , $B$ и $C$ — коммутативные кольца (с единицей) и $α : A \to C$ и $β : B \to C$ (сохраняющие тождество) кольцевые гомоморфизмы . Тогда образ этой диаграммы существует и задается подкольцом кольца A произведений $\times B,$ определяемым формулой

A\times _{C}B=\left\{(a,b)\in A\times B\;{\big |}\;\alpha (a)=\beta (b)\right\}

наряду с морфизмами

\beta '\colon A\times _{C}B\to A,\qquad \alpha '\colon A\times _{C}B\to B

данный $\beta '(a,b)=a$ и $\alpha '(a,b)=b$ для всех $(a,b)\in A\times _{C}B$ . Тогда у нас есть

\alpha \circ \beta '=\beta \circ \alpha '.

Группы и модули [ править ]

По полной аналогии с приведенным выше примером коммутативных колец можно показать, что все образы существуют в категории групп и в категории модулей над некоторым фиксированным кольцом.

Наборы [ править ]

В категории множеств обратный образ функций $f : X \to Z$ и $g : Y \to Z$ всегда существует и задается множеством

X\times _{Z}Y=\{(x,y)\in X\times Y|f(x)=g(y)\}=\bigcup _{z\in f(X)\cap g(Y)}f^{-1}[\{z\}]\times g^{-1}[\{z\}],

вместе ограничениями проекций и $π 1$ Z $π 2$ на $X \times Y .$ с

В качестве альтернативы можно рассматривать откат в $Set$ асимметрично:

X\times _{Z}Y\cong \coprod _{x\in X}g^{-1}[\{f(x)\}]\cong \coprod _{y\in Y}f^{-1}[\{g(y)\}]

где $\coprod$ является дизъюнктным объединением множеств (вовлеченные множества не являются непересекающимися сами по себе, если только $f$ или $g$ не инъективны ). В первом случае проекция $π 1$ извлекает $индекс x$ , а $π 2$ забывает индекс, оставляя элементы $Y$ .

Этот пример мотивирует другой способ охарактеризовать обратный образ: как эквалайзер морфизмов f $\circ p 1, g \circ p 2 : X \times Y \to Z,$ где $X \times Y$ — произведение двоичное $X$ и $Y$ , а $p 1$ и $p 2$ равны естественные проекции. Это показывает, что откаты существуют в любой категории с бинарными продуктами и эквалайзерами. Фактически, по теореме существования пределов все конечные пределы существуют в категории с двоичными произведениями и эквалайзерами; эквивалентно, все конечные пределы существуют в категории с терминальным объектом и откатами (поскольку двоичное произведение = откат конечного объекта и что эквалайзер — это откат, включающий двоичное произведение).

Графики функций [ править ]

Конкретным примером отката является график функции. Предположим, что $f\colon X\to Y$ это функция. График множество f $представляет$ собой $\Gamma _{f}=\{(x,f(x))\colon x\in X\}\subseteq X\times Y.$ График можно переформулировать как возврат $f$ и тождественную функцию на $Y$ . По определению, этот откат $X\times _{f,Y,1_{Y}}Y=\{(x,y)\colon f(x)=1_{Y}(y)\}=\{(x,y)\colon f(x)=y\}\subseteq X\times Y,$ и это равно $\Gamma _{f}$ .

Пучки волокон [ править ]

Другой пример обратного образа приходит из теории расслоений : учитывая расслоение $π : E \to B$ и непрерывное отображение $f : X \to B$ , обратный образ (сформированный в категории топологических пространств с непрерывными отображениями ) $X \times B E$ — расслоение над $X,$ называемое расслоением обратного образа . Соответствующая коммутативная диаграмма является морфизмом расслоений. То же самое относится и к категории дифференцируемых многообразий. Особым случаем является обратный образ двух расслоений $E 1, E 2 \to B$ . В этом случае $E 1 \times E 2$ — расслоение над $B \times B$ , и возврат назад по диагональному отображению $B \to B \times B$ дает пространство, гомеоморфное (диффеоморфное) $E 1 \times B E 2$ , которое является расслоением над $Б.$ Обратный образ двух гладких трансверсальных отображений в одно и то же дифференцируемое многообразие также является дифференцируемым многообразием, а касательное пространство обратного образа - это обратный образ касательных пространств вдоль дифференциальных отображений.

Прообразы и пересечения [ править ]

Прообразы множеств под функциями можно описать как откаты следующим образом:

Предположим $f : A \to B$ , $B 0 \subseteq B.$ , Пусть $g$ — отображение включения $B 0 ↪ B$ . Тогда обратный образ $f$ и $g$ (в $Set$ ) задается прообразом $f -1 [B 0]$ вместе с включением прообраза в $A$

ж -1 [Б 0] ↪ А

и ограничение $f$ на $f -1 [Б 0]$

ж -1 [Б 0] \to Б 0

.

Благодаря этому примеру в общей категории возврат морфизма $f$ и мономорфизма $g$ можно рассматривать как «прообраз» под $f$ подобъекта , заданного $g$ . Точно так же возвраты двух мономорфизмов можно рассматривать как «пересечение» двух подобъектов.

Наименьшее общее кратное [ править ]

Рассмотрим мультипликативный моноид натуральных чисел $Z +$ как категорию с одним объектом. В этой категории возврат двух натуральных чисел $m$ и $n$ — это просто пара $\left({\frac {\operatorname {lcm} (m,n)}{m}},{\frac {\operatorname {lcm} (m,n)}{n}}\right)$ числители являются наименьшим общим кратным m $, где$ и $n$ . Эта же пара также является пушаутом.

Свойства [ править ]

любой категории с терминальным объектом $T$ обратный образ $X \times TY Y.$ просто обычное произведение $X \times В$ — это ^[2]
Мономорфизмы устойчивы относительно образа: если стрелка $f$ на диаграмме является моникической, то такой же является и стрелка $p 2$ . Аналогично, если $g$ является мотическим, то и $p 1$ тоже . ^[3]
Изоморфизмы также устойчивы, поэтому, например, $X \times X Y ≅ Y$ для любого отображения $Y \to X$ (где подразумеваемое отображение $X \to X$ является тождественным).
В абелевой категории существуют все возвраты, ^[4] и они сохраняют ядра в следующем смысле: если

диаграммой обратного образа, то индуцированный морфизм

ker(p2 является) \to ker(f)

является изоморфизмом, ^[5] и то же самое происходит с индуцированным морфизмом

ker(p 1) \to ker(g)

. Таким образом, каждая обратная диаграмма порождает коммутативную диаграмму следующей формы, в которой все строки и столбцы точны :

{\begin{array}{ccccccc}&&&&0&&0\\&&&&\downarrow &&\downarrow \\&&&&L&=&L\\&&&&\downarrow &&\downarrow \\0&\rightarrow &K&\rightarrow &P&\rightarrow &Y\\&&\parallel &&\downarrow &&\downarrow \\0&\rightarrow &K&\rightarrow &X&\rightarrow &Z\end{array}}

Более того, в абелевой категории, если

X \to Z

является эпиморфизмом, то таким же является и его обратный образ

\to Y,

и симметрично: если

Y \to Z

является эпиморфизмом, то таким же является и его обратный образ

P \to X.

P ^[6] В таких ситуациях квадрат отката также является квадратом выталкивания. ^[7]

Существует естественный изоморфизм ( A × _C B )× _B D ≅ A × _C D . Явно это означает:
- отображения f : A → C , g : B → C и h : D → B и если заданы
- обратный образ f и g задается формулами r : P → A и s : P → B , и
- обратный образ s и h определяется формулами t : Q → P и u : Q → D ,
- обратный образ f и gh определяется формулами rt : Q → A и u : Q → D. тогда

Графически это означает, что два обратного квадрата, расположенные рядом и имеющие один и тот же морфизм, образуют более крупный обратный квадрат при игнорировании внутреннего общего морфизма.

{\begin{array}{ccccc}Q&{\xrightarrow {t}}&P&{\xrightarrow {r}}&A\\\downarrow _{u}&&\downarrow _{s}&&\downarrow _{f}\\D&{\xrightarrow {h}}&B&{\xrightarrow {g}}&C\end{array}}

В любой категории с откатами и товарами есть эквалайзеры.

Слабые откаты [ править ]

Слабый образ коспана слабо $X \to Z \leftarrow Y$ — это конус над коспаном, который является лишь универсальным , то есть опосредующий морфизм $u : Q \to P,$ указанный выше, не обязательно должен быть уникальным.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

^ Митчелл, с. 9
^ Адамек, стр. 197.
^ Митчелл, с. 9
^ Митчелл, с. 32
^ Митчелл, с. 15
^ Митчелл, с. 34
^ Митчелл, с. 39

Ссылки [ править ]

Адамек, Иржи, Херрлих, Хорст и Стрекер, Джордж Э.; (1990). Абстрактные и конкретные категории (PDF, 4,2 МБ). Первоначально опубл. Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-60922-6 . (теперь бесплатное онлайн-издание).
Кон, Пол М .; Универсальная алгебра (1981), D. Reidel Publishing, Голландия, ISBN 90-277-1213-1 (первоначально опубликовано в 1965 году издательством Harper & Row) .
Митчелл, Барри (1965). Теория категорий . Академическая пресса.

Внешние ссылки [ править ]

Интерактивная веб-страница , генерирующая примеры откатов в категории конечных множеств. Автор Джоселин Пейн.
откат в n Lab

[1] Митчелл, с. 9

[2] Адамек, стр. 197.

[3] Митчелл, с. 9

[4] Митчелл, с. 32

[5] Митчелл, с. 15

[6] Митчелл, с. 34

[7] Митчелл, с. 39

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]