Teoria kategorii

Teoria kategorii bada struktury matematyczne i relacje. Do badania kategorii, bardzo abstrakcyjnych, przyczyniło się bogactwo cech wspólnych dla różnych klas związanych ze strukturami matematycznymi. Kategorie są używane w większości dziedzin matematyki oraz w niektórych obszarach informatyki teoretycznej oraz w matematyce fizyki. Tworzą jednoczącą koncepcję.

Historia

Teoria ta została stworzona przez Samuela Eilenberga i Saundersa Mac Lane'a w latach 1942-1945 w związku z topologią algebraiczną , a propagowana w latach 1960-1970 we Francji przez Alexandre'a Grothendiecka , który dokonał jej systematycznych badań. W następstwie prac Williama Lawvere , teoria kategorii jest używana od 1969 roku do definiowania logiki i teorii mnogości  ; kategoria teoria może dlatego, jak teorii mnogości lub typu teorii , z którym ma ona podobieństwa, uznać za fundament matematyki .

Podstawowe elementy

Morfizmy

Oto przykład. Gr klasy z grupy obejmuje wszystkie obiekty o strukturze „grupowego”. Dokładniej, Gr obejmuje wszystkie zestawy G zaopatrzone w działanie wewnętrznego , który spełnia Axioms z asocjatywności , odwracalności i z elementu neutralnego . Niektóre twierdzenia można następnie udowodnić , dokonując logicznych dedukcji z tych aksjomatów. Na przykład dostarczają bezpośredniego dowodu, że element tożsamości grupy jest niepowtarzalny.

Zamiast badać obiekty (np. Grupy), które mają określoną strukturę, jak to zawsze robiły teorie matematyczne, teoria kategorii kładzie nacisk na morfizmy i procesy, które zachowują strukturę między dwoma obiektami. Wydaje się, że badając te morfizmy, jesteśmy w stanie dowiedzieć się więcej o budowie obiektów.

W naszym przykładzie są badane morfizmami morfizmami , że każdy wniosek grupy w grupie weryfikacji: . Badanie morfizmów grup dostarcza narzędzia do badania ogólnych właściwości grup i konsekwencji aksjomatów odnoszących się do grup.

Tak samo jest w wielu teoriach matematycznych, w których można zdefiniować klasę obiektów, a także poszczególne aplikacje między tymi obiektami weryfikując określone właściwości. Innym przykładem kategorii jest klasa przestrzeni wektorowych , a morfizmy są odwzorowaniami liniowymi . Ostatni przykład podaje klasa przestrzeni topologicznych , gdzie morfizmy są odwzorowaniami ciągłymi . Kategoria jest więc sformułowaniem aksjomatycznym, które wiąże struktury matematyczne z funkcjami, które je zachowują. Systematyczne badanie kategorii umożliwia udowodnienie ogólnych wyników z aksjomatów kategorii.

Funktory

Kategoria sama w sobie jest rodzajem struktury matematycznej. Jeśli mamy dwie kategorie i , czasami można zdefiniować zgodność między pierwszą i drugą kategorią, kojarząc każdy przedmiot (odpowiednio każdy morfizm) pierwszej kategorii z przedmiotem (odpowiednio morfizmem) drugiej, zachowując przy tym struktura kategorii. Takie odpowiedniki nazywane są funktorami .

Jeśli ograniczymy się do małych kategorii (tj. Do kategorii, których klasy obiektów i morfizmy są zbiorami), definiujemy w ten sposób kategorię małych kategorii  (w) Cat  : jej przedmiotami są małe kategorie, a jego morfizmy to funktory.

Ta podstawowa idea powiązania jednej klasy obiektów z drugą pojawiła się po raz pierwszy w topologii algebraicznej  : pewne złożone problemy topologiczne można przełożyć na pytania algebraiczne, które często są łatwiejsze do rozwiązania. W ten sposób możemy zdefiniować funktor z kategorii przestrzeni topologicznych w kategorii grup , który z przestrzenią topologiczną wiąże swoją grupę podstawową . Każda właściwość topologiczna pierwszej kategorii może być przetłumaczona przez właściwość algebraiczną w drugiej kategorii i odwrotnie.

Naturalne przemiany

Poprzez nowy wysiłek abstrakcji funktory są często „naturalnie połączone”. Dlatego definiujemy pojęcie transformacji naturalnej , czyli sposobu wysłania funktora na funktor. Jeśli funktor jest morfizmem morfizmów, to naturalna transformacja jest morfizmem morfizmów morfizmów. W ten sposób możemy badać wiele konstrukcji matematycznych. „Naturalność” to głębsza zasada, niż się wydaje na pierwszy rzut oka. Saunders MacLane , współtwórca teorii kategorii, powiedział: „Nie wymyśliłem kategorii, aby badać funktory; Wymyśliłem je, aby badać naturalne przemiany ” .

Na przykład istnieje izomorfizm między skończoną przestrzenią wektorową a jej przestrzenią dualną , ale izomorfizm ten nie jest „naturalny” w tym sensie, że jego definicja wymaga wybrania podstawy , od której ściśle zależy. Z drugiej strony istnieje naturalny izomorfizm między skończoną przestrzenią wektorową a jej przestrzenią binarną (podwójną do podwójnej), to znaczy w tym przypadku niezależną od wybranej bazy. Ten przykład jest historycznie pierwszym przykładem sformułowanym w przełomowym artykule Samuela Eilenberga i Saunders MacLane w 1945 roku.

Inny przykład: istnieje kilka sposobów łączenia przestrzeni topologicznych z teorią grup za pomocą różnych funktorów  : homologii, kohomologii , homotopii … Badanie naturalnych przekształceń pozwala nam zbadać, w jaki sposób te funktory są ze sobą powiązane.

Definicje

Kategoria

Kategoria w języku teorii klas składa się z czterech elementów:

Kiedy kategoria jest aktualna, niektórzy podają jej jako nazwę skrót nazwy jej obiektów; tutaj będziemy postępować zgodnie z tą konwencją.

Niektórzy autorzy, na przykład DE Rydeheard i Burstall, definiują kategorię jako skierowany graf (a dokładniej multigraf). Wierzchołki wykresu to obiekty. Łuki to strzały. Podobnie czasami zdarza się, że całkowicie zapominamy o obiektach kategorii i interesują nas tylko strzałki, identyfikując przedmioty z ich tożsamościami strzałek.

Niektóre właściwości

O kategorii mówi się, że jest lokalnie mała, jeśli dla dowolnego obiektu A, B klasy morfizmów od A do B, tj. Jest zbiorem. Kategoria jest mała, jeśli klasa wszystkich morfizmów , tj. Jest zbiorem. Większość zwykłych kategorii - por. przykłady poniżej - są tylko lokalnie małe.

Podkategoria o to kategoria, której obiekty są obiektami i których strzały są strzałki (ale niekoniecznie wszystkie strzałki) z dwóch obiektów w podkategorii. Gdy podkategorii od jest taka, że wszystkie strzały między dwoma przedmiotami są strzałki to podkategorii mówi się pełne .

Podwójna kategoria

Mając kategorię , definiujemy kategorię przeciwną lub podwójną , biorąc te same obiekty, ale odwracając kierunek strzałek. Jest odnotowany (lub ). Dokładniej: Hom C op ( A , B ) = Hom C ( B , A ), a kompozycja dwóch przeciwległych strzałek jest przeciwieństwem ich kompozycji: f op ∘ g op = ( g ∘ f ) op . Oczywiste jest, że kategoria podwójna kategorii podwójnej jest kategorią wyjściową . Ta dualizacja umożliwia symetryzację większości wypowiedzi.

Przykłady

Intuicyjnie obiekty w kategorii są często zestawami ze strukturą, a strzałki są często odwzorowaniami między zestawami, które zachowują strukturę. Poniższa tabela zawiera przykłady kategorii, które ilustrują tę intuicję.

Kategoria Obiekty Strzały
Ens lub Set category zestawy Aplikacje
Najlepsza kategoria przestrzenie topologiczne ciągłe aplikacje
Spełniona kategoria przestrzenie metryczne jednolicie ciągłe aplikacje
kategoria My monoidy morfizmy monoidalne
kategoria Grp grupy morfizmy grupowe
kategoria Ab grupy abelowe morfizmy grupowe
Kategoria ACU jednolite pierścienie przemienne morfizmy pierścieniowe
Kategoria Ord zamówione zestawy rozwijające się aplikacje

Przykłady w tabeli są kategoriami konkretnymi , tj. Kategoriami wyposażonymi w funktor wierny kategorii zbiorów (w niniejszych przypadkach jest to funktor zapominający , który pomija konstrukcje uznawane za zachowujące jedynie swój zbiór bazowy; np. zastosowanie funktora zapominającego do grupy (ℤ, +) daje zbiór ℤ). Każda mała kategoria jest konkretna, jak dwie następujące:

Ten przykład jest szczególnie interesujący w następującym przypadku: zbiór to zbiór otworów w przestrzeni topologicznej , a relacja to inkluzja; umożliwia to zdefiniowanie pojęć prefabrykatów i snopów za pomocą funktorów . To także pozwala nam na rozpatrzenie każdego zamówionego zestawu jako kategoria i wszelkie indukcyjne (resp. Projekcyjna systemu) jako kowariantna (wzgl. Kontrawariantny) funktora w tej kategorii.

Przykład komputera

Benjamin C. Pierce, s. 8 w Podstawowej teorii kategorii dla informatyków rozważa funkcjonalny język programowania , w którym typy to Bool (dla wartości logicznych, tj. Dla wartości prawdy), Int (dla liczb całkowitych), Real (dla liczb rzeczywistych) i Unit (typ z jednym elementem) . Operacje są zerowe: Int → Bool (które sprawdza, czy liczba całkowita jest równa zero), a nie: Bool → Bool (negacja), succInt: Int → Int (która zwraca następcę liczby całkowitej), succReal: Real → Real, (która zwraca następcę liczby rzeczywistej), toReal: Int → Real (co zamienia liczbę całkowitą na liczbę rzeczywistą). Stałe tego języka wynoszą zero: Int, true: Bool, false: Bool, unit: Unit. Następnie Pierce podaje przykład kategorii, w której obiekty to Bool, Int, Real i Unit, a strzałki to true, false, succInt, succReal, unit, iszero, not, toReal.

Stałe to strzałki, z których każda wiąże unikalny element Unit z wartością, którą reprezentuje.


Monomorfizmy, epimorfizmy i izomorfizmy

Definicje

Mówi się, że strzała jest monomorfizmem, gdy spełnia następującą właściwość: dla dowolnej pary strzał (a więc także dla wszystkiego ), jeśli , to .

Mówi się, że strzała jest epimorfizmem, gdy spełnia następującą właściwość: dla dowolnej pary strzał (a zatem także dla wszystkiego ), tak , więc .

Pojęcia monomorfizmu i epimorfizmu są dwojakie: strzała jest monomorfizmem wtedy i tylko wtedy, gdy jest epimorfizmem w podwójnej kategorii.

Mówi się, że strzała jest izomorfizmem, jeśli istnieje strzała taka, że i . Pojęcie to jest samowystarczalne.

Przykłady i kontrprzykłady

Suma i iloczyn rodziny obiektów w teorii kategorii

Suma rodziny jest dane obiektu z i dla wszystkich z strzałką weryfikującego własność uniwersalną  :

niezależnie od obiektu oraz strzałki z istnieje pojedyncza strzałka , jak na całym schemacie  :Coproduct-02.png

jest przemienny , to znaczy tak, jest przemienny .

Produkt z rodziny jest dane obiektu z i dla wszystkich z strzałką weryfikującego własność uniwersalną  :

niezależnie od obiektu oraz strzałki z istnieje pojedyncza strzałka , jak na całym schemacie  :CategoricalProduct-01.png

jest przemienny , to znaczy tak, jest przemienny .

Jeśli istnieją, sumy i iloczyny są niepowtarzalne, z wyjątkiem izomorfizmów.

Definicje te są permutowane poprzez odwrócenie strzałek na diagramach: suma (odpowiednio iloczyn) w jest iloczynem (odpowiednio sumą) w jej liczbie podwójnej.

Kartezjański kategoria jest kategorią wyposażony w końcowej przedmiotu i produktu binarnym. Zamkniętym kategoria kartezjański jest kartezjański kategoria wyposażony w potęgowania .

Jako podstawa matematyki

William Lawvere jako pierwszy rozważał teorię kategorii jako potencjalną podstawę matematyki. W 1964 roku zaproponował aksjomatyzację teorii mnogości w języku kategorii. W 1966 roku opublikował kategoryczną teorię kategorii, w której można wyrazić wszystkie obiekty matematyczne i wykazać ich właściwości. Pierwsza wersja tej kategorii kategorii powstała w jego rozprawie doktorskiej z 1963 roku.

Dlatego teoria kategorii została zaproponowana jako podstawa matematyki w co najmniej dwóch różnych znaczeniach. W pierwszym sensie stanowiłoby to alternatywną aksjomatyzację dla pojęcia zbiorów. W porównaniu z aksjomatyzacją ZF , sformułowanie to nie stawia na pierwszym planie pojęcia bycia „elementem” (x ∊ X). To raczej pojęcie funkcji, wyrażone przez morfizmy kategorii, jest fundamentalne. Szczególnym przykładem toposów elementarnych okazała się kategoria zbiorów , rodzaj kategorii inspirowanej toposem Grothendiecka .

Drugi rodzaj zdania polega raczej na stwierdzeniu, że wszystkie ważne pojęcia matematyczne można wyrazić w języku kategorii. Podczas gdy pierwszy rodzaj podstawy jest logiczny i proponuje system aksjomatyczny, ten drugi typ jest raczej metodologiczny i oferuje sposób porównywania ze sobą różnych dziedzin matematyki przy użyciu wspólnego języka. Te dwa twierdzenia niekoniecznie są ze sobą sprzeczne, a kwestia podstaw matematyki może mieć kilka znaczeń.

Jednak wszystkie te twierdzenia o fundacjach odwołujących się do kategorii mają jedną wspólną cechę. Są częścią strukturalistycznej perspektywy matematyki. Wyrażenie to rozumie się jako oznaczające, że ważnymi właściwościami obiektów matematycznych są relacje, które istnieją między nimi, a nie właściwości właściwe dla samych obiektów. Dla strukturalistów obiekt matematyczny jest zatem całkowicie zdefiniowany przez miejsce, jakie zajmuje w strukturze matematycznej . Na przykład fakt, że liczba 3 jest zapisana symbolem „3”, nie jest własnością strukturalną, ale fakt, że jest między 2 a 4 w kolejności liczb naturalnych, jest taką własnością. Teoria kategorii jest szczególnie adekwatna do wyrażenia takiego fundamentu, ponieważ obiekty kategorii są definiowane tylko w ramach izomorfizmu. Oznacza to, że w ramach kategorii nie można rozróżnić dwóch izomorficznych obiektów, które mają zatem taką samą strukturę. Język kategorii wyraża zatem tylko właściwości strukturalne tych obiektów.

Jednak nie wszyscy strukturaliści opowiadają się za teorią kategorii jako podstawą.

Uwagi i odniesienia

  1. (in) OF Rydehear, Burstall, Obliczeniowa teoria kategorii , Prentice Hall,1988, s.  Rozdział 3, sekcja 3.1, definicja 2
  2. Zobacz na przykład (w) Roy L. Crole , Kategorie typów , UPC ,1993, 335  str. ( ISBN  978-0-521-45701-9 , czytaj online ) , str.  61. Zwróć uwagę, że Mac Lane nazywa „metakategorią” to, co nazywamy tutaj „kategorią”, że nazywa „kategorię”, co jest powszechnie nazywane „małą kategorią”, a nazwę „małej kategorii” rezerwuje dla pojęcia jeszcze bardziej restrykcyjnego.
  3. (w) Benjamin C. Pierce Podstawowa teoria kategorii dla informatyków: Podstawy serii obliczeniowych , The MIT Press ,1991, s. 5
  4. Michel Zisman, Elementary algebraic topology , Armand Colin, 1972, s.  10 .
  5. (w) William Lawvere, „  Elementarna teoria kategorii zbiorów  ” , Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA ,15 grudnia 1964, s.  1506–1511 ( czytaj online )
  6. (w) Tom Leinster , „  Rethinking Set Theory  ” , American Mathematical Monthly ,Maj 2014, s.  403-415 ( czytaj online )
  7. (w) William Lawvere, Proceedings of the Conference on Categorical Algebra ,1966, „Kategoria kategorii jako podstawa matematyki” , s.  1-20
  8. (w) William Lawvere, "  Functorial Semantics of Algebraic Theories  " , Reprints in Theory and Applications of Categories ,2004, s.  1-121 ( czytaj online )
  9. (w) JL Bell, „  Teoria kategorii i podstawy matematyki  ” , The British Journal for the Philosophy of Science, tom. 32, nr 4 ,Grudzień 1981, s.  349-358 ( czytaj online )
  10. (en) Colin McLarty, „  Exploring categorical strukturism  ” , Philosophia Mathematica (3) 12 ,2004, s.  37-53
  11. (en) Jean-Pierre Marquis, „  Teoria kategorii i podstawy matematyki: wykopaliska filozoficzne  ” , Synthesis (103) ,1995, s.  421-447
  12. (w) Stewart Shapiro, „  Podstawy matematyki: metafizyka, epistemologia, struktura  ” , Kwartalnik filozoficzny (1950-), t. 54, Nr 214 ,styczeń 2004, s.  16-37 ( czytaj online )
  13. (w) Colin McLarty, „  Liczby mogą być po prostu takie, jakie mają  ” , Nous, t. 27 nr 4 ,Grudzień 1993, s.  487-498 ( czytaj online )
  14. (w) Julian Cole, „  Strukturalizm matematyczny dzisiaj  ” , Philosophy Compass 5/8 ,2010, s.  689–699
  15. (w) Steve Awodey, "  Struktura w matematyce i logice: perspektywa kategorialna  " , Philosophia Mathematica (3) 4 ,1996, s.  209-237
  16. (w) Michael Resnick, Matematyka jako nauka o wzorach , Oxford University Press ,1997
  17. (w) Stewart Shapiro, Filozofia matematyki: struktura i ontologia , Oxford University Press ,1997

Zobacz też

Bibliografia

Praca podstawowa: (en) Saunders Mac Lane , Kategorie dla pracującego matematyka [ szczegóły wydania ]

Książki specjalistyczne i monografie

Po francusku :

Po angielsku :

 

Linki zewnętrzne

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">