范畴论

4 具体范畴与具体函子

4.1 具体范畴

定义 4.1

  • 1. 设\(\mathbf {X} \) 为一范畴,我们称有序对\((\mathbf {A} ,U)\) 为 具体范畴 ,其中\(\mathbf {A}\) 为范畴,\(U:\mathbf {A} \to \mathbf {X}\) 为忠实函子。有时\(U\) 也称为具体范畴的遗忘函子,\(\mathbf {X}\) 称为具体范畴的 基础范畴

  • 2. 集合范畴\(\textbf {Set}\) 上的具体范畴称为构造(construction)。

例子:

  • 1. 如果 \(A\) 是 \(\textbf {Vec},\textbf {Top}\) 等,并且 \(U\) 是其自然关联的基础函子,通常我们会通过” 滥用符号” 的方式将构造 \((\mathbf {A} ,U)\) 简写为 \(\mathbf {A} \)。例如,向量空间的抽象范畴和向量空间的构造都会被表示为 \(\textbf {Vec}\), 具体含义由上下文确定。

  • 2. 任何范畴\(\mathbf {A}\) 都可以通过恒等函子\(id_{\mathbf {A}}\) 看作是自己的具体范畴\((\mathbf {A},id_{\mathbf {A}})\)

  • 3. 设\((\mathbf {A} ,U)\) 为关于集合范畴\(\textbf {Set}\) 的具体范畴 (即构造),令\(U^{op}:\mathbf {A}^{op}\to \mathbf {Set}^{op}\) 为忠实函子\(U:\mathbf {A}\to \mathbf {Set}\) 的对偶函子,则\((\mathbf {A}^{op},\mathcal {Q} \circ {U}^{op})\) 是一个构造,\(\mathcal {Q}:\mathbf {Set}^{op}\to \mathbf {Set}\) 是反变幂集函子,特别地\((\mathbf {Set}^{op},\mathcal {Q})\) 也是一个构造。

  • 4. 关于拓扑向量空间和连续线性变换的拓扑向量范畴 TopVec 可以看作:

    • (a) 一个抽象范畴

    • (b) 一个构造

    • (c) Top 上的具体范畴

    • (d) Vec 上的具体范畴

  • 5. 对于任何范畴 \(\mathbf {A}\),唯一的函子 \(\mathbf {A} \to \mathbf {1}\) 当且仅当 \(\mathbf {A}\) 是薄的(范畴中任意两对象间的态射数目小于等于 1),所以关于单点集范畴 \(\mathbf {1}\) 的具体范畴本质上只是薄范畴;例如预序范畴。

注释 4.1:

  • 1. 由于忠实函子 \(U: \mathbf {A} \to \mathbf {X} \) 在态射集上是单射的,我们通常假定对于每一对 \(\mathbf {A} \) - 对象 \((A, B)\),有 \(\text {hom}_\mathbf {A} (A,B)\) 是 \(\text {hom}_\mathbf {X} (UA,UB)\) 的子集。这个约定使得我们可以更简洁地表达” 对于 \(\mathbf {A} \) - 对象 \(A\) 和 \(B\),以及 \(\mathbf {X} \) - 态射 \(UA\xrightarrow {f}UB\),存在(必然唯一的)\(\mathbf {A} \) - 态射 \(A \to B\) 使得 \(U(A \to B) = UA\xrightarrow {f}UB\)” 的性质,只要”\(UA\xrightarrow {f}UB\) 是 \(\mathbf {A} \) - 态射(从 \(A\) 到 \(B\))” 成立。但 是,由于 \(U\) 不必在对象上是单射的,命题”\(UA\xrightarrow {\text {id}_\mathbf {X} }UB\) 是 \(\mathbf {A} \) - 态射(从 \(A\) 到 \(B\))” 并不意味着 \(A = B\) 或者 \(\text {id}_X = \text {id}_A \),虽然 \(UA = UB = X\)。(例如,偏序范畴 \(\textbf {Pos}\) 中从偏序 集\((\{0, 1\}, =)\) 到偏序集\((\{0, 1\},\leq )\) 的保序映射实际上是集合范畴 Set 中对象\(\{0,1\}\) 上的恒等映射)为了避免在这种情况下可能的混淆,我们称 \(\mathbf {A} \) - 态射 \(A\xrightarrow {f}B\) 为 identity-carried,如果 \(Uf = \text {id}_X\)。

  • 2. 当上下文清楚时,我们将用 \(\mathbf {A} \) 来表示关于 \(\mathbf {X} \) 的具体范畴 \((\mathbf {A} ,U)\)。\(\mathbf {A} \)- 对象 \(A\) 的底层对象有时会用 \(|A|\) 表示,即”\(|\quad |\)” 将作为底层函子的标准符号。

  • 3. 如果 \(P\) 是范畴(或函子)的性质,那么我们说一个具体范畴 \((\mathbf {A} ,U)\) 有性质 \(P\) 就是说 \(\mathbf {A} \) 或者 \(U\) 有性质 \(P\)。