范畴
范畴论 (Category theory) 是数学的一门学科,以抽象的方法处理数学概念,将这些概念形式化成一组组的“对象”及“态射”。数学中许多重要的领域可以形式化为范畴。使用范畴论可以令这些领域中许多难理解、难捉摸的数学结论更容易叙述证明。
范畴的概念
在范畴论中,范畴 (category) 代表着一堆数学实体和存在于这些实体间的关系。
一个范畴 C 包含如下内容:
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一个由一些 对象 (objects) 所构成的类 ob(C)
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对象间的 态射(morphism) 所构成的类 Hom(C)
态射是指从一个“源物件”对象 a 到“目标对象” b 的映射 f:a↦b,其中 a,b∈ob(C)。所有从 a 到 b 的态射组成的类称为 态射类,记为 Hom(a,b)
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对任三个对象 a,b,c,有二元运算:
Hom(a,b)×Hom(b,c)→Hom(a,c)
称为 态射的复合。该二元运算将满足如下两个条件:
- 结合律
若 f∈Hom(a,b),g∈Hom(b,c),h∈Hom(c,d),则:
h∘(g∘f)=(h∘g)∘f
- 存在 恒等态射
对任意一个对象 a,Hom(a,a) 中存在唯一元素,记为 Ida,使得:f∘Ida=f, ∀f∈Hom(a,b)Ida∘g=g, ∀g∈Hom(b,a)
同构态射 (isomorphism)
一个态射 f∈Hom(a,b) 称为 同构,若存在一个 g∈Hom(b,a),使得:
f∘g=Idb, g∘f=Ida.
如何将范畴的概念对应到具体实体中呢?我们举一个例子:
以集合为对象,以集合之间的映射为态射。那么态射的复合是很好定义的,且满足上述提到的两点性质。我们可以说:则所有的集合与它们之间的映射形成一个范畴。这时候集合间的双射就是同构态射。
通常我们将一个范畴记为 (A,Mor(A)),其中 A 表示一个类,Mor(A) 表示其上的所有态射。
函子
利用函子,我们可以描述不同数学实体之间的关系。在范畴论中,函子 (functor) 是范畴间的一类映射。
设 (A,Mor(A)) 与 (B,Mor(B)) 为范畴,从 (A,Mor(A)) 到 (B,Mor(B)) 的函子是一个映射 C:
C:(A,Mor(A))→(B,Mor(B))
C 是一个范畴间的映射。
它可以将一个对象映射成另一个对象:若 X∈A,则有 C(X)∈B
可以将一个态射映射成另一个态射:若 f∈Mor(A),则有 C(f)∈Mor(B)
并且要求具有以下性质:
- 若 f:X→Y 是一个态射,那么 C(f) 为如下态射:
C(f):C(X)→C(Y)
- 若 f,g∈Mor(A),且它们可以复合,则有:
C(f)∘C(g)=C(f∘g)
C(IdX)=IdC(X)
按照以上定义的函子又称为 协变函子 (covariant functor),通常我们将 C(f) 记为 f∗。
我们可以用以下示意图理解协变函子的性质:
我们还有 逆变函子 (contravariant functor)。与协变函子唯一不同的是,逆变函子的态射复合定义为:
- 若 f,g∈Mor(A),且它们可以复合,则有:
C(f)∘C(g)=C(g∘f)
对于逆变函子,我们将 C(f) 记为 f∗。我们可以用以下示意图理解协变函子的性质:
关系
关系 (relations)
两个集合 X 和 Y 之间的关系 R 是卡氏积 X×Y 的一个子集。
若 $ (x,y) ∈ R$,则称 x∈X 和 y∈Y 称为是 “R− 相关的”,记为 xRy。
等价关系
等价关系 (equivalent relations)
关系 R⊂X×X 称为 X 中的等价关系,若有:
- 自反性:(x,x)∈R, ∀x∈X
- 对称性:(x,y)∈R⇒(y,x)∈R, ∀x,y∈X
- 传递性:(x,y)∈R and (y,z)∈R⇒(x,z)∈R, ∀x,y,z∈X
若 x 和 y 之间存在等价关系,记为 x∼y 。
等价类 (equivalent class)
x 所在的等价类,记为 [x]。它是 X 的一个子集,定义为:
[x]≡{y∣y∼x}.
不同的等价类之间没有交集,这些等价类的并集是 X。所有等价类形成的集合可以记为 X/R 或 X/∼。
偏序关系
偏序 (partial order)
关系 R⊂X×X 称为集合 X 中的偏序,若
- 自反性:(x,x)∈R, ∀x∈X
- 反对称性:(x,y)∈R and (y,x)∈R⇒x=y, ∀x,y∈X
- 传递性:(x,y)∈R and (y,z)∈R⇒(x,z)∈R, ∀x,y,z∈R
若 x 和 y 由偏序 R 相关,我们可以将其记为 x≼y。
有了偏序后,我们可以在某个集合中定义上限、上确界、下限、下确界、极大等概念。
全序集 (totally ordered, linear ordered)
若一个偏序集其中的任两个元素x 和 y,要么 x≼y,要么 y≼x,则称这个偏序集为 全序集 或 线性序集。
对一堆事件点所成的集合,引入某种偏序,可以在这个集合上引入因果结构,成为因果集 (Penrose, 1950s)。在一定的假设下,这种因果结构意味着某种洛伦兹结构.
佐恩引理 (Zorn’s lemma)
对一个非空偏序集,若其任意全序子集都有上确界,则该偏序集至少具有一个极大元。