33.函子范畴

作者: Obj_Arr | 来源:发表于2021-09-20 10:58 被阅读0次

将两范畴之间的函子视为对象,函子间的自然变换视为箭头就可以构成函子范畴,这样的范畴是范畴上的范畴,往往称为纯粹的范畴论,高度抽象,难以理解。

不过,借助于指数结构,函子范畴的构造就很自然了。指数的来源是函数空间,比如两集合的指数集合,就是两集合间的所有函数的集合,在集合论中,往往记为B^A,其实也就是箭头集Hom(A,B),那么假如将集合换为范畴呢?

这就需要引入一个重要的范畴,包括所有小范畴的范畴Cat,也可以称为小范畴范畴,名字有点拗口。在Cat中,对象是所有的小范畴,这里的小在这个系列最开始的时候解释过了,指的是范畴的对象和箭头都是集合,不会出现类的情形。Cat中的箭头是范畴间的函子,由于小范畴间的所有函子总能构成一个集合,所以Cat是局部小范畴,也就是指对象可以不构成集合,但是任意两对象间的箭头构成集合。

于是当Hom(A,B)中的集合换为小范畴时,其实就是Cat中的箭头集,所以,在B^A的基础上构建的指数范畴其实就是函子范畴Fun(A,B),也就是范畴A,B间函子的范畴。

这个结论其实是和命题Cat是笛卡尔闭范畴CCC相关联,因为CCC要求范畴有有限积和指数,有限积就是指具有源对象0和二元积A×B,0就是零范畴,二元积就是两范畴的积,指数B^A就是上面的函子范畴构造。

所以,在Cat下,函子范畴就是指数范畴。

上面是正式定义,函子范畴自然也满足范畴公理,包括存在恒等箭头,满足箭头的结合律。

姑且试着解释一个例子,图范畴和函子范畴。首先,图或者说有向图,可以分解为节点和箭头,或者称为顶点和边,顶点构成一个集合,边也构成一个集合,同时还有边集到顶点集的两个函数,取起点和取终点函数,所以图范畴的基础结构就是两个集合以及两个情形箭头,如上图所示。G1是边集,G0是顶点集,t为target,取终点函数,s为source,取起点函数。

这些要素去除内容,就是一个特殊的范畴,两对象平行双箭头范畴,记为Γ。

那么,我们就可以据此将一个图视为一个函子,也就是G:Γ→Sets,因为任意给定一个这样的函子就能得到一个相应的图,这个可以自己试一下,随便写出两个集合,一个用大写字母表示顶点集,一个用小写字母表示边集,然后任意指定两集合间的两个函数,最后就能对照着函数关系连接边,从而画出图。图到函子的对应则是显然的,图中顶点对应到顶点集,边对应到边集,函数对应到函数。

所以图就对应着这样的函子,图同态对应着函子间的自然映射,图范畴就对应着函子范畴。


Cat,在不同的书中定义也不太一样,这里专指小范畴范畴,有的地方指所有范畴的范畴,这点要区分注意。这种名词上的区别也是很重要的,尤其是对于发展中还没有通用标准的领域。

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