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定义Definition

始对象与终对象

施工中 · 内容逐步修订

Initial object · Terminal object

分别向每个对象有唯一箭头、或从每个对象接收唯一箭头的泛对象。

形式陈述 ​

设 C 为范畴。对象 0 称为始对象,若对每个对象 X 恰存在一个态射 0→X;对象 1 称为终对象,若对每个对象 X 恰存在一个态射 X→1。用 Hom 集表述:

|HomC(0,X)|=1与|HomC(X,1)|=1(对所有 X).

两个概念互为对偶:C 的终对象正是反范畴 Cop 的始对象。始(终)对象若存在,则在唯一同构的意义下唯一:任意两个始对象之间恰有一个态射,且该态射是同构。既是始对象又是终对象的对象称为零对象。

直觉

始对象提供统一的出发点:无论目标对象是什么,到它都恰有一条箭头。终对象提供统一的汇点:每个对象都恰有一条箭头到达它。反转范畴中的所有箭头,就把这两种角色互换。

唯一性把构造确定下来。例如在群范畴中,任意两群之间都有平凡同态,但一个非平凡群还拥有不同于平凡同态的恒等自同态,因此既不能是始对象,也不能是终对象。这是泛性质的一个直接例子:通过到所有对象的映射规律识别一个对象。

例子与边界

集合范畴 Set 中,空集是始对象:到任何集合 X 恰有一个映射,即空映射;任一单点集是终对象:每个 X 只能整体映到那个点。两者不同构,故 Set 没有零对象。这个例子同时检验了唯一性条款的筛选力:单点集不是始对象,因为它到 X 的映射共有 |X| 个,而且到空集一个也没有。

群范畴中平凡群同时是始对象与终对象,即零对象;向量空间范畴中的零空间同理。复合 X→0→Y 给出零态射。它与任意可复合态射相接后仍为零,因为经零对象的两段箭头都已唯一确定。核的泛性质便可以用“复合为零”来表达。

在含幺环及保幺环同态的范畴中,Z 是始对象:同态把 1 送到 1 后,所有整数的像都被确定为 n↦n⋅1。若允许零环,它就是终对象。若只取非零环,则不存在终对象:它若同时接收 F2 与 F3 的保幺同态,就会同时满足 2⋅1=0 与 3⋅1=0,从而 1=0,矛盾。

在偏序范畴中,始对象就是最小元,终对象就是最大元,所以 (Z,≤) 两者皆无。在域与保幺同态的范畴中,不同特征的域之间没有态射,也就没有始对象或终对象;限制到固定特征后,素域成为始对象,特征 p 时为 Fp,特征零时为 Q。

推论与应用

始对象的唯一性由两次复合证明。若 0,0′ 均为始对象,则有唯一态射 f:0→0′ 与 g:0′→0。复合 gf 是 0 的自态射,而 Hom(0,0) 只含恒等态射,故 gf=10;同理 fg=10′。于是 f,g 互为逆,且这组同构也唯一。

终对象是空图表的范畴极限,始对象是空图表的余极限。空图表没有需要提供的投影或射入,所以锥或余锥只剩一个顶点;相应的唯一因子化恰好就是终对象或始对象条件。它们由此成为空积与余积。

可表函子也能这样描述。对协变集合值函子 F:C→Set,把 (X,x∈F(X)) 作为对象,把满足 F(f)(x)=y 的 f:X→Y 作为态射,得到元素范畴;代表对象连同通用元素是其中的始对象。反变集合值函子的元素范畴采用条件 F(f)(y)=x,表示数据则成为终对象。这两个方向与 Yoneda 引理的两个版本对应。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 3 类关系

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