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定义Definition

可表函子

施工中 · 内容逐步修订

Representable functor

自然同构于某个 Hom 函子的函子。

形式陈述 ​

设 C 为局部小范畴。协变函子 F:C→Set 称为可表,若存在 A∈C 与一个可逆的自然变换,即自然同构 F≅HomC(A,−)。反变函子 F:Cop→Set 可表,则是指

F≅HomC(−,A).

协变情形等价于存在通用元素 u∈F(A),使对每个 X,映射

HomC(A,X)→F(X),f↦F(f)(u)

都是双射。它们的自然性由函子复合律直接给出。反变情形则由 u∈F(A) 给出 HomC(X,A)→F(X),把 f:X→A 送到 F(f)(u)。代表对象连同通用元素 (A,u) 在唯一保持该元素的同构下确定。

直觉

把 F(X) 看成可在对象 X 上选择的数据。协变可表性提供一份位于 A 上的通用数据 u:每份 x∈F(X) 都恰好由一条 f:A→X 把 u 送来。反变可表性则用 f:X→A 将 u 拉回到 X。两种形式都把选择数据转成选择唯一态射。

例子与边界

固定域 k,记向量空间的底层集合函子为 U。它由一维空间 k 表示:

Homk(k,V)⟶U(V),f⟼f(1).

给定 v∈V,逆向得到 a↦av;所以通用元素就是 1∈k。同样,遗忘函子 U:Grp→Set 由加法群 Z 表示:同态由 1 的像 g 唯一决定,公式为 n↦gn。

反变的幂集函子用逆像作用于函数:f:X→Y 诱导 f−1:P(Y)→P(X)。它由二元集合 2={0,1} 表示,因为子集 S⊆X 恰对应特征函数 χS:X→2。通用元素是 {1}⊆2,且

S=χS−1({1}),χf−1(S)=χS∘f.

最后一个等式直接验证自然性。

若改为用正像 S↦f(S) 作用于函数,就得到协变幂集函子;它不可表。任何协变可表函子 Hom(A,−) 在单点集处都只有一个元素,而 P({∗}) 有 ∅ 与 {∗} 两个元素。这给出了可表性失败的具体检验。

推论与应用

Yoneda 引理说明,从 Hom(A,−) 到集合值函子 F 的自然变换完全由 F(A) 中一个元素决定。可表性进一步要求这族分量全为双射。两个表示的比较也须保持所选通用元素:例如表示向量空间底层集合的 (k,1),只有恒等线性自同构固定 1,而空间 k 本身可以有多个自同构。

协变可表函子保持存在的极限,因为从 A 映到极限,等价于给出从 A 到图表各对象的一族相容映射。反变可表函子则把原范畴中的余极限送到集合的极限。积的泛性质就是一个表示等式:

Hom(−,X×Y)≅Hom(−,X)×Hom(−,Y).

因此积可以通过它所表示的“成对映射”函子来识别。

参考资料
关系图谱8 个相邻概念 · 3 类关系

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