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範疇

(數學概念)

鎖定
數學中,範疇(category),是一種包含了對象及對象之間箭頭的代數結構。範疇具有兩個基本性質:一是對象之間的箭頭可以複合,且複合是滿足結合律的;二是每個對象到自己有一個單位箭頭。一個簡單的範疇例子是由集合構成對象,集合間的映射看做箭頭。一般來説,對象和箭頭可以是抽象的任何類型,範疇的概念提供了一個基本而抽象的方式去研究數學中的對象及其關係的方法。
中文名
範疇
外文名
category
所屬學科
範疇論
要素組成
對象,態射
例    子
集合的範疇、的範疇
釋    義
一種包含了對象及對象之間箭頭的代數結構

範疇定義

一個有向圖𝒞,是由以下要素組成 [1] 
(1) 一些對象(通常用大寫字母
等表示)構成的一個類
(2)由所有的集合
構成的族,這裏
取遍
中的所有對象。
中的元素
稱為從
態射(morphism),記為
(3)對於
中任意三個對象
,存在二元算子
,稱為態射的複合,記
的複合為
。對
中任意對象
,有單位運算A→idA,其中
稱為單位態射 [3] 
有向圖為範疇,若下面的公理成立: [3] 
(i)(結合律)如果有
,則
(ii)(單位律) 對任意的
,有
,且對任意的
,有

範疇性質

範疇𝒞中的一個態射
被稱為同構,如果存在一個態射
,使得
。這時,我們也稱對象A和B是同構的。

範疇相關概念

小范疇為對象類是一個集合的範疇。一個範疇
被稱為基本小(essentially small),如果它的對象的同構類是一個集合。顯然小范疇總是基本小的。
離散範疇為態射為單位態射的範疇。
幺半羣為只有一個對象的範疇。
為每個態射在複合下都是可逆的幺半羣。
一個廣羣是一個範疇,滿足其中任意態射都是同構。 [3] 
任意一個偏序集構成一個範疇
,對象是
中的元素,存在一個從
的態射當且僅當
。恆等態射和態射的複合由偏序的自反性和傳遞性給出。這是一個小范疇。
任一幺半羣都會形成一個具單一個對象
的小范疇(此處的x是任一個固定的集合)。從
的態射恰好是幺半羣的元素,且其態射覆合由幺半羣的運算所給定。幺半羣令態射絕不可能為函數,唯一從單元素集合xx的函數為當然函數。可視範疇為廣義化了的幺半羣;一些和幺半羣有關的定義和定理也可能可以義廣化成範疇的定義和定理。
任一有向圖都會產生一個小范疇:其對象為圖的頂點,態射為圖中的路徑,而態射覆合則為路徑的串接。這被稱之為由圖產生出的“自由範疇”。
I是一個集合,“在
上的具體範疇”會是個小范疇,其對象為的元素,而態射則只有單位態射。當然,其態射覆合的公理是必然滿足的。
任一範疇
皆可以另一種方式被視為是一個新的範疇:其對象和原範疇的一樣,但態射則和原範疇相反。這被稱之為對偶範疇,標記為
為範疇,可形成一“積範疇
:其對象為由
內的對象所組成的對,且態射亦為由
內的態射所組成的對。這些對的態射覆合是由各元素各自複合。

範疇例子

每一範疇都可由其對象、態射和態射覆合來表示。
集範疇Set,對象為所有小集,其態射為集合間的映射,而態射覆合則為一般的映射覆合。
(下列皆為具體範疇的例子,即在集合上加入一些結構,且要求態射為對應於此附加結構的函數,態射覆合則為簡單的一般函數複合。)
Set*,對象為帶基點的集合,態射為保基點的映射。
預序範疇,對象為所有預序關係的範疇,態射為單調函數
MatrK,對象為所有正整數,態射為矩陣元取值於K的矩陣。
原羣範疇,對象為所有原羣,態射為原羣同態。
Mon,對象為所有小幺半羣,態射為幺半羣同態。
羣範疇Grp,對象為所有小羣,態射為羣同態
阿貝爾羣範疇Ab;對象為所有小阿貝爾羣,態射為羣同態。
環範疇Rng,對象為所有小,態射為(保持單位元的)環同態
CRng,對象為所有小交換環,態射為環同態。
左R模範疇R-Mod,對象為環R上的小左,態射為線性映射
右R模範疇Mod-R,對象為環R上的小右,態射為線性映射。
K-Mod,對象為交換環K上的小,態射為線性映射。
拓撲空間範疇Top,對象為所有拓撲空間,態射為連續映射
Toph,對象為所有拓撲空間,態射為連續映射的同倫類
Top*,對象為所有帶基點的空間,態射為帶基點映射;
度量空間範疇,對象為所有度量空間,態射為度量映射;
一致空間範疇,對象為所有一致空間,態射為一致連續函數;
光滑流形範疇,對象為所有光滑流形,態射為
次連續可微映射
Cat,對象為所有小范疇,態射為函子; [3] 
Ab-cat,對象為所有小預加性範疇,態射為加性函子
Cob(D+1),對象為D維閉流形,態射為D+1維配邊。 [4] 
所有集合的範疇,態射為關係。

範疇範疇類型

1.若範疇的態射集合Hom(a,b)是加性交換羣,並且態射的複合與這些阿貝爾羣之間的羣結構兼容,即複合映射是雙線性的。這種範疇稱為預加性範疇,或Ab-範疇。阿貝爾羣範疇Ab,左R模範疇R-Mod,右R模範疇Mod-R都是預加性範疇。 [3] 
如果在此基礎上這個範疇還帶有所有有限餘積,那麼我們稱之為加性範疇
如果更進一步地,所有態射都有餘核,並且每個滿態射都是餘核而每個單態射都是核,那麼我們稱之為阿貝爾範疇。阿貝爾範疇的典型例子是交換羣範疇。
2.範疇是完備的當其保持所有極限。集合、交換羣、拓撲空間的範疇都是完備的。
3.範疇是笛卡爾閉的當其擁有所有有限直積、且有限積上的態射總是可由任一因子上的態射確定。笛卡爾閉範疇包括
,即完全偏序和斯科特連續函數組成的範疇。
4.拓撲斯是一種特定的笛卡爾閉範疇;所有數學內容都可以用拓撲斯的語言形式化(正如所有經典數學都可以用集合範疇的語言形式化一般)。拓撲斯也可用於表示邏輯理論 [2] 
參考資料
  • 1.    [1]劉傑,孔祥雯. 作為數學基礎的範疇論[J]. 科學技術哲學研究,2014,04:7-12.
  • 2.    [2]郭貴春,孔祥雯. 範疇論數學基礎探析[J]. 武漢大學學報(人文科學版),2017,06:58-64.
  • 3.    Saunders Mac Lane.數學工作者必知的範疇學 第2版:Springer,1978
  • 4.    Steven H. Simon.Topological Quantum: Lecture Notes and Proto-Book:牛津大學出版社,2021