Kategori teorisi

Kategori teorisi çalışmaları matematiksel yapılar ve ilişkiler. Çok soyut olan kategorilerin incelenmesi, matematiksel yapılarla bağlantılı çeşitli sınıflarda ortak olan özelliklerin bolluğuyla motive edildi . Kategoriler matematiğin çoğu dalında ve teorik bilgisayar biliminin bazı alanlarında ve fizik matematiğinde kullanılmaktadır. Birleştirici bir fikir oluştururlar.

Tarih

Bu teori, cebirsel topolojiyle bağlantılı olarak 1942-1945'te Samuel Eilenberg ve Saunders Mac Lane tarafından oluşturuldu ve 1960-1970 yıllarında Fransa'da sistematik bir çalışma yapan Alexandre Grothendieck tarafından yayıldı . William Lawvere'nin çalışmasının ardından kategori teorisi, mantığı ve küme teorisini tanımlamak için 1969'dan beri kullanılmaktadır  ; Bu nedenle kategori teorisi , benzerlikleri olduğu küme teorisi veya tip teorisi gibi matematiğin temeli olarak kabul edilebilir .

Basit elementler

Morfizmler

İşte bir örnek. Grp sınıfı arasında grupları "grup yapısı" sahip olan tüm nesneleri içerir. Daha kesin olarak, Grp tümünü içerir setleri G , bir ile donatılmış , iç işlemi olan tatmin aksiyomlarını arasında birleşme , tersinirlik ve nötr element . Bazı teoremler daha sonra bu aksiyomlardan mantıksal çıkarımlar yapılarak kanıtlanabilir . Örneğin, bir grubun kimlik öğesinin benzersiz olduğuna dair doğrudan kanıt sağlarlar .

Kategori teorisi, matematiksel teorilerin her zaman yaptığı gibi, belirli bir yapıya sahip nesneleri (örneğin gruplar) çalışmak yerine, morfizmaları ve iki nesne arasındaki yapıyı koruyan süreçleri vurgular . Görünüşe göre bu morfizmaları inceleyerek, nesnelerin yapısı hakkında daha fazla şey öğrenebiliriz.

Örneğimizde, incelenen morfizimler olan morfizimler herhangi bir uygulama olduğunu, bir grup bir grup doğrulayarak: . Grup morfizmlerinin incelenmesi, grupların genel özelliklerini ve gruplarla ilgili aksiyomların sonuçlarını incelemek için bir araç sağlar.

Bu, belirli özellikleri doğrulayan bu nesneler arasındaki belirli uygulamaların yanı sıra bir nesne sınıfının tanımlanabildiği birçok matematiksel teoride de aynıdır. Bir kategoriye başka bir örnek, vektör uzayları sınıfı tarafından verilmektedir , morfizmler doğrusal eşlemlerdir . Son bir örnek, topolojik uzaylar sınıfı tarafından verilir , morfizmler sürekli eşleşmelerdir . Dolayısıyla bir kategori, matematiksel yapıları onları koruyan işlevlere bağlayan aksiyomatik bir formülasyondur . Kategorilerin sistematik bir incelemesi, bir kategorinin aksiyomlarından genel sonuçların kanıtlanmasını mümkün kılar.

Functors

Bir kategorinin kendisi bir tür matematiksel yapıdır. İki kategorimiz varsa ve bazen birinci kategorinin her nesnesini (sırasıyla her bir morfizmi) ikincinin bir nesnesiyle (sırasıyla bir morfizmi) ilişkilendirerek birinci kategori ile ikincisi arasında bir yazışma tanımlamak mümkündür. kategori yapısı. Bu tür yazışmalara functor denir .

Biz küçük kategorilere kendimizi kısıtlamak durumunda (yani olan nesne ve Morfizmlerin sınıfları kümeleridir kategorilerine), biz, böylece tanımlamak kategoriler bir kategorisini  (in) Cat  : Nesneleri küçük kategori ve onun morfizimler funktorlar bulunmaktadır.

Bir nesne sınıfını diğeriyle ilişkilendirmenin bu temel fikri ilk olarak cebirsel topolojide ortaya çıktı  : bazı karmaşık topolojik problemler, genellikle çözülmesi daha kolay olan cebirsel sorulara dönüştürülebilir. Böylece, bir functor tanımlayabilir topolojik boşlukların kategori içinde gruplarının kategori bir topolojik alanı ile onun ilişkilendirir, temel grup . Birinci kategorinin herhangi bir topolojik özelliği, ikinci kategorideki bir cebirsel özellik ile çevrilebilir ve bunun tersi de geçerlidir.

Doğal dönüşümler

Yeni bir soyutlama çabasıyla, işlevciler genellikle "doğal olarak birbirine bağlıdır". Bu nedenle doğal dönüşüm kavramını tanımlıyoruz , bu da bir functor'u bir functor'a göndermenin bir yolu. Functor bir morfizm morfizmiyse, doğal dönüşüm morfizmlerin morfizmlerinin bir morfizmidir. Böylece birçok matematiksel yapıyı inceleyebiliriz. "Doğallık" ilk bakışta göründüğünden daha derin bir ilkedir. Kategori teorisinin mucidi Saunders MacLane şunları söyledi: “Fonksiyonları incelemek için kategoriler icat etmedim; Onları doğal dönüşümleri incelemek için icat ettim ” .

Örneğin, sonlu boyutlu bir vektör uzayı ile onun ikili uzayı arasında bir izomorfizm vardır , ancak bu izomorfizm, tanımının yakından bağlı olduğu bir temeli seçmeyi gerektirmesi anlamında "doğal" değildir . Öte yandan, sonlu boyutlu bir vektör uzayı ile onun ikili uzayı ( ikilinin ikilisi) arasında doğal bir izomorfizm vardır , yani bu durumda seçilen temelden bağımsızdır. Bu örnek, tarihsel olarak, Samuel Eilenberg ve Saunders MacLane tarafından 1945'te yazılan ufuk açıcı makalede formüle edilen ilk örnektir .

Başka bir örnek: Topolojik uzayları çeşitli işlevlerle grup teorisine bağlamanın birkaç yolu vardır  : homoloji, kohomoloji , homotopi … Doğal dönüşümlerin incelenmesi, bu işlevlerin birbirleriyle nasıl ilişkili olduklarını incelememize olanak tanır.

Tanımlar

Kategori

Sınıf teorisinin dilinde bir kategori , dört unsurdan oluşur:

Bir kategori geçerli olduğunda, bazıları ona nesnelerinin adının kısaltmasını isim olarak verir; burada bu sözleşmeyi takip edeceğiz.

Bazı yazarlar, örneğin DE Rydeheard ve Burstall, bir kategoriyi yönlendirilmiş bir grafik (daha doğrusu bir multigrafi) olarak tanımlar . Grafiğin köşeleri nesnelerdir. Yaylar oklardır. Aynı şekilde, bazen bir kategorinin nesnelerini tamamen unuttuğumuz ve nesneleri ok kimlikleriyle tanımlayarak yalnızca oklarla ilgilendiğimiz de oluyor.

Bazı özellikler

Herhangi bir A, B nesnesi için, A'dan B'ye morfizm sınıfı, yani bir küme ise, bir kategorinin yerel olarak küçük olduğu söylenir . Bir kategori olan küçük tüm Morfizmlerin sınıf eğer yani , kümesidir. Genel kategorilerin çoğu - cf. aşağıdaki örnekler - yalnızca yerel olarak küçüktür.

Bir alt kategori ait olan nesnelerdir nesneleri bir kategorisidir okların oklar (fakat tamamı değil oklar) ve alt kategori iki nesne arasındaki. Bir alt zaman içinde her oklar şekildedir iki arasındaki nesneleri arasında oklar , bu alt kategori olduğu söylenir tam .

Çift kategori

Bir kategori verildiğinde , aynı nesneleri alarak, ancak okların yönünü tersine çevirerek karşıt veya ikili kategoriyi tanımlarız . Not edilir (veya ). Daha kesin olarak: Hom C op ( A , B ) = Hom C ( B , A ) ve iki karşıt okun bileşimi, bileşimlerinin zıttıdır: f op ∘ g op = ( g ∘ f ) op . İkili kategorinin ikili kategorisinin başlangıç ​​kategorisi olduğu açıktır . Bu ikileştirme, ifadelerin çoğunun simetrik hale getirilmesini mümkün kılar.

Örnekler

Sezgisel olarak, bir kategorideki nesneler genellikle yapıya sahip kümelerdir ve oklar genellikle yapıyı koruyan kümeler arasındaki eşleşmelerdir. Aşağıdaki tablo, bu sezgiyi açıklayan kategorilere örnekler vermektedir.

Kategori Nesneler Oklar
Ens veya Kategori belirle setleri uygulamaları
En üst kategori topolojik uzaylar sürekli uygulamalar
Karşılanan kategori metrik uzaylar tekdüze sürekli uygulamalar
kategori Benim monoidler monoid morfizmler
kategori Grp grupları grup morfizmleri
kategori Ab değişmeli gruplar grup morfizmleri
ACU kategorisi üniter değişmeli halkalar halka morfizmleri
Ord kategorisi sıralı setler büyüyen uygulamalar

Tablodaki örnekler somut kategorilerdir , yani kümeler kategorisine sadık bir işlevle sağlanan kategorilerdir (mevcut durumlarda bu, yalnızca temel kümelerini koruduğu düşünülen yapıları göz ardı eden unutma işlevidir ; örneğin unutma fonksiyonunu gruba (ℤ, +) uygulamak ℤ) kümesini verir. Aşağıdaki ikisi gibi herhangi bir küçük kategori somuttur:

Bu örnek, aşağıdaki durumda özellikle ilginçtir: küme, bir topolojik uzayın açıklıkları kümesidir ve ilişki, kapsama alanıdır; bu, ön kontrol ve demet kavramlarını işlevler aracılığıyla tanımlamayı mümkün kılar . Ayrıca, herhangi bir sıralı kümeyi bir kategori olarak ve herhangi bir endüktif (sırasıyla Projektif ) sistemi bu kategoride bir kovaryant (karşılık gelen Kontravaryant) işlev olarak ele almayı mümkün kılar.

Bilgisayar örneği

Benjamin C. Pierce, s. Bilgisayar Bilimcileri için Temel Kategori Teorisi'nde , türlerin Bool (Boole'lar için, yani doğruluk değerleri için), Int (tamsayılar için), Gerçek (gerçek sayılar için) ve Birim (tek öğeli bir tür) olduğu işlevsel bir programlama dili düşünün. . İşlemler sıfırdır: Int → Bool (bir tamsayının sıfır olup olmadığını test eder), değil: Bool → Bool (olumsuzluk), succInt: Int → Int (bir tamsayının halefini döndürür), succReal: Gerçek → Gerçek, (ki gerçek bir sayının halefini döndürür), toReal: Int → Real (bir tamsayıyı gerçek sayıya dönüştürür). Bu dilin sabitleri sıfırdır: Int, true: Bool, false: Bool, unit: Unit. Pierce daha sonra nesnelerin Bool, Int, Real ve Unit olduğu ve okların true, false, succInt, succReal, unit, iszero, not, toReal olduğu kategori örneğini verir.

Sabitler, her biri Unit'in benzersiz öğesini temsil ettiği değerle ilişkilendiren oklardır.


Monomorfizmler, epimorfizmler ve izomorfizmler

Tanımlar

Bir okun , aşağıdaki özelliği sağladığında monomorfizm olduğu söylenir : herhangi bir ok çifti için (ve dolayısıyla her şey için de ) , öyleyse .

Bir okun şu özelliği sağladığında bir epimorfizm olduğu söylenir : herhangi bir ok çifti için (ve dolayısıyla her şey için de ), evet , öyleyse .

Monomorfizm ve epimorfizm kavramları birbiriyle ikilidir: Bir ok, ancak ve ancak ikili kategorideki bir epimorfizm ise bir monomorfizmdir.

Bir ok bir olduğu söylenir İzomorfizma bir ok varsa böyle ve . Bu fikir kendi kendine yeten bir kavramdır.

Örnekler ve karşı örnekler

Kategori teorisinde bir nesne ailesinin toplamı ve ürünü

Toplamı bir ailenin bir nesnenin veridir ait ve herkes için bir ok doğrulayarak evrensel özelliğini  :

ne olursa olsun bir amacı ve oklar arasında tek bir ok orada bütün için gibi diyagram  :Coproduct-02.png

olduğunu değişmeli , yani yani .

Ürün bir ailenin bir nesnenin veridir ait ve herkes için bir ok doğrulayarak evrensel özelliğini  :

ne olursa olsun bir amacı ve oklar arasında tek bir ok orada bütün için gibi diyagram  :CategoricalProduct-01.png

olduğunu değişmeli , yani yani .

Varsa, toplamlar ve ürünler, izomorfizmler dışında benzersizdir.

Bu tanımlara, diyagramların oklarının ters çevrilmesiyle izin verilir: içindeki bir toplam (sırasıyla bir ürün), çiftindeki bir üründür (sırasıyla bir toplam).

Bir Kartezyen kategori bir donatılmış bir kategoridir nihai nesne ve ikili ürün. Bir kapalı Kartezyen kategori ile donatılmış bir Kartezyen kategoridir üs .

Matematiğin temeli olarak

William Lawvere , kategori teorisini matematik için potansiyel bir temel olarak gören ilk kişiydi . 1964'te, küme teorisinin kategoriler dilinde aksiyomatizasyonunu önerdi. 1966'da, tüm matematiksel nesnelerin ifade edilebildiği ve özelliklerinin gösterilebildiği bir kategori kategorileri teorisi yayınladı. Bu kategoriler kategorisinin ilk versiyonu onun 1963 doktora tezinde geliştirilmiştir.

Bu nedenle kategori teorisi, matematiğin en az iki farklı anlamda temeli olarak önerilmiştir. İlk anlamda, kümeler kavramına alternatif bir aksiyomatizasyon sağlayacaktır. ZF'nin aksiyomatizasyonu ile karşılaştırıldığında , bu formülasyon "(x ∊ X) öğesi" olma fikrini ön plana yerleştirmez. Daha ziyade, temel olan, kategorinin morfizmalarıyla ifade edilen işlev mefhumudur. Set kategorisinin, Grothendieck'in topolarından esinlenen bir kategori türü olan temel topoların belirli bir örneği olduğu ortaya çıktı .

İkinci tür önerme daha ziyade, tüm önemli matematiksel kavramların kategoriler dilinde ifade edilebileceğini söylemektir. İlk temel türü mantıklıdır ve aksiyomatik bir sistem önerirken, bu ikinci temel türü oldukça metodolojiktir ve matematiğin farklı alanlarını ortak bir dil kullanarak birbirleriyle karşılaştırmanın bir yolunu sunar. Bu iki önerme, matematiğin temellerinin çeşitli anlamlar alabilmesi için birbiriyle uyumsuz olması gerekmez .

Bununla birlikte, kategorilere hitap eden vakıflarla ilgili tüm bu önermelerin ortak bir yanı vardır. Matematiğin yapısalcı bakış açısının parçasıdırlar. Bu ifade, matematiksel nesnelerin önemli özelliklerinin, nesnelerin kendilerine özgü özellikler değil, aralarında var olan ilişkiler olduğu anlamına gelir. Yapısalcılar için matematiksel bir nesne bu nedenle tamamen matematiksel bir yapıda kapladığı yer ile tanımlanır . Örneğin 3 rakamının “3” sembolü ile yazılması yapısal bir özellik değil, doğal sayılar sırasına göre 2 ile 4 arasında olması böyle bir özelliktir. Kategorilerin teorisi, böyle bir temeli ifade etmek için özellikle yeterlidir, çünkü bir kategorinin nesneleri yalnızca izomorfizm içinde tanımlanır. Bu, bu nedenle aynı yapıya sahip iki izomorfik nesnenin bir kategori içinde birbirinden ayırt edilemeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle kategorilerin dili, bu nesnelerin yalnızca yapısal özelliklerini ifade eder.

Bununla birlikte, tüm yapısalcılar bir temel olarak kategori teorisinden yana değildir.

Notlar ve referanslar

  1. (içinde) OF Rydehear, Burstall, Hesaplamalı kategori teorisi , Prentice Hall,1988, s.  Bölüm 3, Kısım 3.1, Tanım 2
  2. bakınız örneğin (in) Roy L. Crole , Kategori türleri için , UPC ,1993, 335  s. ( ISBN  978-0-521-45701-9 , çevrimiçi okuyun ) , s.  61. Not olduğunu Mac Lane "kategorisinde" Burada ne denir "metacategory", çağırır genellikle "küçük kategori" olarak adlandırılan ve o kavramına "küçük kategorisinde" adını saklı tuttuğunu ne o isimler "kategorisinde". Hatta daha kısıtlayıcı.
  3. (inç) Benjamin C. Pierce Bilgisayar bilimcisi için temel kategori teorisi: Hesaplama serisinin temelleri , The MIT Press ,1991, s. 5
  4. Michel Zisman, Temel cebirsel topoloji , Armand Colin, 1972, s.  10 .
  5. (in) William Lawvere, "  Kümeler kategorisinin temel teorisi  " , ABD Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri ,15 Aralık 1964, s.  1506–1511 ( çevrimiçi okuyun )
  6. (inç) Tom Leinster , "  Rethinking Set Theory  " , American Mathematical Monthly ,Mayıs 2014, s.  403-415 ( çevrimiçi okuyun )
  7. (in) William Lawvere, Kategorik Cebir Konferansı Bildirileri ,1966, "Matematiğin temeli olarak kategoriler" , s.  1-20
  8. (in) William Lawvere, "  Cebirsel Teorilerin İşlevsel Anlamları  " , Teoride Yeniden Baskılar ve Kategoriler Uygulamaları ,2004, s.  1-121 ( çevrimiçi okuyun )
  9. (in) JL Bell, "  Kategori Teorisi ve Matematiğin Temelleri  " , The British Journal for the Philosophy of Science, Cilt. 32, No. 4 ,Aralık 1981, s.  349-358 ( çevrimiçi okuyun )
  10. (en) Colin McLarty, "  Kategorik yapısalcılığı keşfetmek  " , Philosophia Mathematica (3) 12 ,2004, s.  37-53
  11. (en) Jean-Pierre Marquis, "  Kategori Teorisi ve Matematiğin Temelleri: Felsefi Kazılar  " , Sentez (103) ,1995, s.  421-447
  12. (içinde) Stewart Shapiro, "  Matematiğin Temelleri: Metafizik, Epistemoloji, Yapı  " , The Philosophical Quarterly (1950-), Cilt. 54, No. 214 ,Ocak 2004, s.  16-37 ( çevrimiçi okuyun )
  13. (in) Colin McLarty, "  Sayılar Olması Gerekenler Olabilir  " , Nous, Cilt. 27, No. 4 ,Aralık 1993, s.  487-498 ( çevrimiçi okuyun )
  14. (in) Julian Cole, "  Bugünün Matematiksel Yapısalcılık  " , Philosophy Compass 5/8 ,2010, s.  689–699
  15. (in) Steve Awodey, "  Matematik ve mantıkta yapı: Kategorik bir bakış açısı  " , Philosophia Mathematica (3) 4 ,1996, s.  209-237
  16. (in) Michael Resnick, Matematik Olarak Modeller Bilimi , Oxford University Press ,1997
  17. (in) Stewart Shapiro, Philosophy of Mathematics: Structure and Ontology , Oxford University Press ,1997

Ayrıca görün

Kaynakça

Temel çalışma: (en) Saunders Mac Lane , Çalışan Matematikçi Kategorileri [ baskı ayrıntısı ]

Özel kitaplar ve monografiler

Fransızcada :

İngilizcede :

 

Dış bağlantılar

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