4. Morphisms
在Set\mathsf{Set}Set中我们关注了某些函数(injective,surjective,bijective),在任意一个范畴上对态射做同样的事情很有意义。读者应该注意到对元素的动作定义的态射并不是一个一般性的设置,因为一个任意的范畴的对象不一定有元素。
这就是为什么我们要分析injectivity的原因。
4.1. Isomorphisms.
令C\mathsf{C}C是一个范畴。
Define 4.1. 一个态射f∈Hom(A,B)f\in \mathrm{Hom}(A,B)f∈Hom(A,B)是同构的(isomorphismisomorphismisomorphism),如果它在复合下有一个逆:也就是如果∃g∈(Hom)C(B,A)\exist g\in \mathrm(Hom)_{\mathsf{C}}(B,A)∃g∈(Hom)C(B,A),使得gf=1A,fg=1Bgf=1_{A},\quad fg=1_{B}gf=1A,fg=1B在这个定义中并没有说明确说明ggg的唯一性,但是它的属性能保证它的唯一性,但是需要验证。
Proposition 4.2. 同构的逆是唯一的。
Proof. 我们需要验证如果g1g_{1}g1和g2g_{2}g2从B→AB\rightarrow AB→A都是给定态射f:A→Bf:A\rightarrow Bf:A→B的逆,那么g1=g2g_{1}=g_{2}g1=g2。
Proposition 4.3.
- 每个恒等态射1A1_{A}1A都是一个isomorphism,并且它们的逆是自己。
- 如果fff是一个isomorphism,那么f−1f^{-1}f−1是一个isomorphism,并且(f−1)−1=f(f^{-1})^{-1}=f(f−1)−1=f。
- 如果f∈HomC(A,B)f\in \mathrm{Hom}_{\mathsf{C}}(A,B)f∈HomC(A,B),g∈HomC(B,C)g\in \mathrm{Hom}_{\mathsf{C}}(B,C)g∈HomC(B,C)都是isomorphism,那么复合gfgfgf也是一个isomorphism,并且(gf)−1=f−1g−1(gf)^{-1} = f^{-1}g^{-1}(gf)−1=f−1g−1。
Proof.
Example 4.4. 当然,在范畴Set\mathsf{Set}Set中的isomorphism是bijections。
Example 4.5. 在Proposition 4.3提到过,恒等态射是isomorphisms。它们可能是范畴中唯一的isomorphism:比如,从Z\mathbb{Z}Z上的≤\leq≤关系而来的范畴C\mathsf{C}C就是这样的。对于范畴C\mathsf{C}C中的对象a,ba,ba,b(即a,b∈Za,b\in \mathbb{Z}a,b∈Z),有一个态射f:a→bf:a\rightarrow bf:a→b和态射g:b→ag:b\rightarrow ag:b→a,当且仅当a≤ba\leq ba≤b以及b≤ab \leq ab≤a时同时存在,也就是a=ba=ba=b。所以在范畴C\mathsf{C}C上的一个isomorphism就是对象aaa到自己;而且在范畴C\mathsf{C}C中唯一存在这样一个态射,就是1a1_{a}1a。
Example 4.6. 另一方面,有些范畴的每个态射都是isomorphism;这些范畴被称为groupoidsgroupoidsgroupoids。读者已经知道了很多groupoids的例子了。
范畴C\mathsf{C}C中的一个对象AAA的automorphismautomorphismautomorphism是一个从AAA到自身的isomorphism。AAA的automorphisms的集合记作AutC(A)\mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)AutC(A);它是EndC(A)\mathrm{End}_{\mathsf{C}}(A)EndC(A)的子集。在AutC(A)\mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)AutC(A)上的复合是一个值得注意的结构:
- AutC(A)\mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)AutC(A)中的两个元素f,gf,gf,g的复合gf∈AutC(A)gf\in \mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)gf∈AutC(A);
- 复合具有结合性;
- AutC(A)\mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)AutC(A)包含元素1A1_{A}1A,它对于复合来说是恒的,即f1A=1Af=ff1_{A}=1_{A}f=ff1A=1Af=f;
- 每个元素f∈AutC(A)f\in \mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)f∈AutC(A)都有一个逆f−1∈AutC(A)f^{-1}\in \mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)f−1∈AutC(A)。
换句话说,对于所有的范畴C\mathsf{C}C中所有的对象AAA来说,AutC(A)\mathrm{Aut}_{\mathsf{C}}(A)AutC(A)是一个群(groupgroupgroup)。
4.2. 态射和泛射
正如上面指出的,我们并没有选择对任意的一个范畴来定义态射,比如像集合-函数那样的“injective”:这种定义需要“元素”记号,一般而言,一个范畴中的对象没有这种记号。但是在任意范畴中,我们都可以定义monomorphismsmonomorphismsmonomorphisms。
Definition 4.7. 令C\mathsf{C}C为一个范畴。态射f∈HomC(A,B)f\in \mathrm{Hom}_{\mathsf{C}}(A,B)f∈HomC(A,B)是一个单态,如果它满足下面条件:对于所有的范畴C中的对象Z,以及所有的态射α′,α′′∈HomC(Z,A),对于所有的范畴\mathsf{C} 中的对象Z,以及所有的态射\alpha',\alpha''\in \mathrm{Hom}_{\mathsf{C}}(Z,A),对于所有的范畴C中的对象Z,以及所有的态射α′,α′′∈HomC(Z,A),f∘α′=f∘α′′⟹α′=α′′f\circ\alpha'=f\circ\alpha''\Longrightarrow \alpha'=\alpha''f∘α′=f∘α′′⟹α′=α′′泛射也可以类似的定义:对于所有的范畴C中的对象Z,以及所有的态射β′,β′′∈HomC(Z,A),对于所有的范畴\mathsf{C} 中的对象Z,以及所有的态射\beta',\beta''\in \mathrm{Hom}_{\mathsf{C}}(Z,A),对于所有的范畴C中的对象Z,以及所有的态射β′,β′′∈HomC(Z,A),β′∘f=β′′∘f⟹β′=β′′\beta'\circ f=\beta''\circ f\Longrightarrow \beta'=\beta''β′∘f=β′′∘f⟹β′=β′′
Example 4.9. 就像证明Proposition 2.3那样,在范畴Set\mathsf{Set}Set中,monomorphisms就是injective函数。读者应该可以类似检查,在范畴Set\mathsf{Set}Set中,epimorphisms就是surjective函数。在2.6给出的定义可能看上去counterintuitive,它们就像范畴的对应部分一样。
Example 4.10. 在范畴的例子Example 3.3中,每个态射既是monomorphism又是一个epimorphism。确实,回忆一下在些范畴中在任意两个对象之间最多有一个态射,因此这些条件定义了monomorphisms和epimorphisms是空洞的。
思考一下Example 4.10 会揭示出一些在这些定义中没有预料到的情况,它们违背了我们对集合论的直觉。例如子范畴Set\mathsf{Set}Set中,一个函数是isomorphism,当且仅当它是injective和surjective,因此当切仅当它是一个monomorphism和一个epimorphism。但是在范畴中通过在Z\mathbb{Z}Z上定义≤\leq≤,每个态射既是monomorphism又是epimorphism,但是唯一的isomorphism是恒等(Example 4.5)。因此这个属性是范畴Set\mathsf{Set}Set中的一个特例,我们不应该觉得每个范畴都有这个属性;比如它在ringsringsrings的范畴Ring\mathsf{Ring}Ring就不具有这个性质。它在每个abelian categoryabelian\ categoryabelian category中具有这个属性,而范畴Set\mathsf{Set}Set不是一个阿贝尔范畴。
类似的,范畴Set\mathsf{Set}Set中,一个函数是epimorphism,说的是surjective当且仅当它有右逆时;在大多数情况下这个条件并不满足,即使在一些有名的范畴中,比如群的范畴Grp\mathsf{Grp}Grp。
练习
这水平做不了练习啊。
单词
- isomorphisms: 同构;同形;同型性;同形反应;同型论
- epimorphisms: 泛射
- monomorphisms: 单态
- vacuous: 空洞的;空洞无物的
- twist: 转动;旋转;搓;捻;拧;扭动;(故事或情况的)转折,转变,突然变化;急转弯处;曲折处
- defy: 违抗;反抗;蔑视;不可能,无法(相信、解释、描绘等);经受住;顶住;抗住