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\mathcal{C} 包含如下内容:

  • 一个由一些 对象 (objects) 所构成的类 ob(C)\mathrm{ob} (\mathcal{C})

  • 对象间的 态射(morphism) 所构成的类 Hom(C)\mathrm{Hom} (\mathcal{C})

    态射是指从一个“源物件”对象 aa 到“目标对象” bb 的映射 f:abf:a\mapsto b,其中 a,bob(C)a,b\in\mathrm{ob} (\mathcal{C})。所有从 aabb 的态射组成的类称为 态射类,记为 Hom(a,b)\mathrm{Hom} (a,b)

  • 对任三个对象 a,b,ca,b,c,有二元运算:

Hom(a,b)×Hom(b,c)Hom(a,c)\mathrm{Hom} (a,b)\times\mathrm{Hom} (b,c)\rightarrow \mathrm{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
    fHom(a,b),gHom(b,c),hHom(c,d)f \in \mathrm{Hom} (a,b), g \in \mathrm{Hom} (b,c),h \in \mathrm{Hom} (c,d),则:

h(gf)=(hg)fh\circ (g\circ f) = (h\circ g)\circ f

  • 存在 恒等态射
    对任意一个对象 aaHom(a,a)\mathrm{Hom} (a,a) 中存在唯一元素,记为 Ida\mathrm{Id}_a,使得:

    fIda=f, fHom(a,b)Idag=g, gHom(b,a)\begin{aligned} &f\circ \mathrm{Id}_a = f,\ \forall f \in \mathrm{Hom} (a,b)\\ &\mathrm{Id}_a \circ g = g,\ \forall g \in \mathrm{Hom} (b,a)\\ \end{aligned}

同构态射 (isomorphism)
一个态射 fHom(a,b)f ∈ \mathrm{Hom} (a,b) 称为 同构,若存在一个 gHom(b,a)g\in \mathrm{Hom} (b,a),使得:

fg=Idb, gf=Ida.f\circ g = \mathrm{Id}_b,\ g\circ f = \mathrm{Id}_a .

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))(\mathscr{A},\mathrm{Mor}(\mathscr{A})),其中 A\mathscr{A} 表示一个类,Mor(A)\mathrm{Mor}(\mathscr{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。

(A,Mor(A))(\mathscr{A},\mathrm{Mor}(\mathscr{A}))(B,Mor(B))(\mathscr{B},\mathrm{Mor}(\mathscr{B})) 为范畴,从 (A,Mor(A))(\mathscr{A},\mathrm{Mor}(\mathscr{A}))(B,Mor(B))(\mathscr{B},\mathrm{Mor}(\mathscr{B})) 的函子是一个映射 CC

C:(A,Mor(A))(B,Mor(B))C: (\mathscr{A},\mathrm{Mor}(\mathscr{A})) \rightarrow (\mathscr{B},\mathrm{Mor}(\mathscr{B}))

CC 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 XAX \in \mathscr{A},则有 C(X)BC(X) \in \mathscr{B}
可以将一个态射映射成另一个态射:若 fMor(A)f \in \mathrm{Mor}(\mathscr{A}),则有 C(f)Mor(B)C(f) \in \mathrm{Mor}(\mathscr{B})

并且要求具有以下性质:

  • f:XYf: X \rightarrow Y 是一个态射,那么 C(f)C(f) 为如下态射:

C(f):C(X)C(Y)C(f):C(X)\rightarrow C(Y)

  • f,gMor(A)f,g\in\mathrm{Mor}(\mathscr{A}),且它们可以复合,则有:

C(f)C(g)=C(fg)C(f)\circ C(g) = C(f\circ g)

  • 保持恒元:

C(IdX)=IdC(X)C(\mathrm{Id}_X) = \mathrm{Id}_{C(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)C (f) 记为 ff_∗

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:

  • f,gMor(A)f,g\in\mathrm{Mor}(\mathscr{A}),且它们可以复合,则有:

C(f)C(g)=C(gf)C(f)\circ C(g) = C(g\circ f)

对于逆变函子,我们将 C(f)C(f) 记为 ff^*。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 XXYY 之间的关系 RR 是卡氏积 X×YX\times Y 的一个子集。
若 $ (x,y) ∈ R$,则称 xXx \in XyYy \in Y 称为是 “RR− 相关的”,记为 xRyxRy

等价关系

等价关系 (equivalent relations)
关系 RX×XR ⊂ X × X 称为 XX 中的等价关系,若有:

  • 自反性:(x,x)R, xX(x,x) \in R,\ \forall x \in X
  • 对称性:(x,y)R(y,x)R, x,yX(x,y) \in R \Rightarrow (y,x) \in R,\ \forall x,y \in X
  • 传递性:(x,y)R and (y,z)R(x,z)R, x,y,zX(x,y) \in R\ and \ (y,z) \in R ⇒ (x,z) \in R,\ \forall x,y,z \in X

xxyy 之间存在等价关系,记为 xyx\sim y

等价类 (equivalent class)
xx 所在的等价类,记为 [x][x]。它是 XX 的一个子集,定义为:

[x]{yyx}.[x] \equiv \{y|y ∼ x\}.

不同的等价类之间没有交集,这些等价类的并集是 XX。所有等价类形成的集合可以记为 X/RX/RX/X/\sim

偏序关系

偏序 (partial order)
关系 RX×XR \subset X \times X 称为集合 XX 中的偏序,若

  • 自反性:(x,x)R, xX(x,x) \in R,\ \forall x \in X
  • 反对称性:(x,y)R and (y,x)Rx=y, x,yX(x,y) \in R\ and \ (y,x) \in R \Rightarrow x = y, \ \forall x,y \in X
  • 传递性:(x,y)R and (y,z)R(x,z)R, x,y,zR(x,y) \in R \ and\ (y,z)\in R\Rightarrow (x,z)\in R,\ \forall x,y,z\in R

xxyy 由偏序 RR 相关,我们可以将其记为 xyx \preccurlyeq 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xxyy,要么 xyx \preccurlyeq y,要么 yxy \preccurlyeq x,则称这个偏序集为 全序集线性序集

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。