5. 极限与余极限
代数拓扑中的许多构造由万有性质的语言描述, 其中包括极限和余极限两种互相对偶的重要构造. 我们将在本节中简要讨论它们.
设 是小范畴 (即它的对象构成集合), 是范畴. 在 1.27 中我们定义了函子范畴 , 它的对象是 到 的函子, 态射是函子间的自然变换. 函子范畴也记作
下面给出的函子会在极限和余极限的定义中出现.
定义 5.1. 对角函子是函子它把 中对象 映至把 中所有对象均映至 , 所有态射均映至恒等态射的函子.
图表
令 为由顶点与箭头所组成的图表. 我们可以仍用记号 来定义以下范畴:1
• | 图表 中的顶点. |
• | 态射为全体给定的箭头的任意复合与一个额外的 “恒等箭头”(效果类似恒等映射). |
例 5.2. 以下图表定义出了一个由三个对象 , 以及 所构成的范畴. 其间从 到 , 到 都只有一个态射, 从 到 也只有一个态射且为前两者的复合.
例 5.3. 以下图表定义出了一个由三个对象 , 以及 所构成的范畴. 其间从 到 , 从 到 都只有一个态射, 但是从 到 有两个态射, 其中一个为前两者的复合, 还有一个为图中所给出的态射.
例 5.4. 以下图表定义出了一个由两个对象 与 所构成的范畴. 其中从 到 的态射包括: 恒等态射 , 与 的复合, 以此类推 2.
给定图表 , 函子 通过将顶点与箭头分别对应到 中的对象与态射上所确定. 比方说, 以下资料定义了一个由 到 的函子. 这样的资料也被称为 中的 -形图表.
极限
定义 5.5 (极限). 令 为函子. 的一个极限是指 中的对象 以及一个自然变换使得对于 中的任意对象 以及任意自然变换 , 存在唯一的态射 使得 . 换句话说, 有交换图表
命题 5.6. 令 为函子, 且 , 为 的极限, 它们分别带有两个自然变换 . 则 中存在唯一的同构 使得下述图表交换这相当于在说 的极限在至多相差一个同构的意义下是唯一确定的.
定义 5.7. 对于函子 , 若其极限存在则记为 .
定理 5.8. 令 为范畴. 则以下条件等价
1. | 每个 都有极限. |
2. | 对角函子 有右伴随. |
此时, 对角函子的右伴随为极限.
例 5.9 (拉回). 图表 的极限给出以下交换图称这一极限为 拉回.
例 5.10 (塔与逆向极限). 让我们考虑以下范畴 :
• | 中的对象为正整数. |
• | 给定 , , 则 集 在 时为空集, 而在 时为单点. |
令 为 的反范畴. 函子 被塔形图表所表示. 塔形图表的极限也被称为塔的逆向极限, 简记为 . 其泛性质图解为
定理 5.11. 令 为一对伴随函子. 假设 的极限存在. 则 的极限也存在, 且换句话说, 右伴随保极限.
根据极限的泛性质, 存在唯一的态射 对于 进行分解, 即再根据伴随性, 这等价于存在自然变换由此推知 为 的余极限.
推论 5.13. 遗忘函子 保极限.
例 5.14. 考虑 中的以下图表现在我们想要考虑上述图表在 中的拉回. 根据例 5.9 以及推论 5.13, 我们知道 (若存在) 的底层集合为不难发现若给 赋予 的子空间拓扑, 则 确实就是 中的拉回. 特别地, 中存在拉回, 且纤维化在拉回下稳定.
命题 5.15. 令 为纤维化, 且 为连续映射. 考虑拉回图表则 也是纤维化. 换句话说, 纤维化在拉回下稳定.
余极限
极限的对偶构造便为余极限.
定义 5.16 (余极限). 令 为函子. 的一个余极限是指 中的对象 以及一个自然变换使得对于 中任意对象 以及任意自然变换 , 存在唯一的态射 使得 . 换句话说, 有交换图表
定理 5.17. 令 为一对伴随函子. 假设 的余极限存在. 则 的余极限存在且换句话说, 左伴随保余极限.
注 5.18. 若一个函子保持所有余极限, 则称它是余连续的. 上述定理表明若一个函子具有右伴随, 则它是余连续的. 在一定条件 (伴随函子定理) 之下, 其逆也成立.
推论 5.19. 遗忘函子 保余极限.
例 5.20 (推出). 图表 的余极限给出交换图表该余极限称为推出. 它是拉回的对偶构造. 其泛性质为接下来给出一些例子:
• | 令 , 为 中的态射. 它们的推出为无交并 关于由 , 所生成的等价关系的商. 它将 和 沿着 和 在 下的像粘接起来. 比如: |
• | 令 , 为 中的态射, 则它们的推出为其中 为群的自由积且 为由 , 所生成的正规子群, 上述构造也称为融合 (自由) 积. |
例 5.21 (望远镜 4与正向极限). 函子 被望远镜图表所表示. 望远镜图表的极限也称为望远镜的正向极限, 简记为 . 其泛性质图解为
积
定义 5.22. 令 为范畴, 为 中的一族对象. 它们的积定义为 中的对象 以及一族态射 使其满足以下泛性质: 对于任意 中对象 以及态射 , 存在唯一的态射 使得下述图表交换
例 5.23.
• | 令 . 则 为 Cartesian 积. |
• | 令 . 则 为 Cartesian 积配上诱导的乘积拓扑. 即, 连续当且仅当 对于任意 都是连续的. |
• | 令 . 则 为 Cartesian 积配上诱导的群结构, 即且 . |
余积
定义 5.24. 令 为范畴, 为 中的一族对象. 它们的余积定义为 中的对象 以及一族态射 使其满足以下泛性质: 对于 中的对象 以及态射 , 存在唯一的态射 使得下述图表交换
例 5.25.
• | 令 . 则 为集合的无交并. |
• | 令 . 则 为拓扑空间的无交并. 不难发现连续映射 可以唯一地延拓为 . |
• | 令 . 则 为群的自由积. 更精确地说, 我们有其中若 , 且 为 中的乘积, 则 的群结构为给定群同态 , 它唯一确定了一个群同态其中 为字母 所在的群 . 它显然满足余积的泛性质. 若只有有限多个 , 我们将其记为 |
一点并与缩积
例 5.27. 例 3.9 所展现的 8-字形可以被实现为 .
图 1. Smash product of circles
例 5.28. 有自然同胚这可以推出 . 例如, 图 1 表示 的情况. 在此时, 通过在环面中切去绿色/紫色的圈 (这样我们得到一个方形) 然后将它们粘 (即将方形的边界粘) 为一点就能得到商 .
完备与余完备
例 5.30. , , , 都是完备且余完备的.
再举个例子, 考虑 . 由于遗忘函子 既是左伴随又是右伴随, 它既保极限又保余极限. 给定 , 其极限 的底层集合即为 中的极限, 而后配备对应的极限拓扑. 类似地, 余极限也是如此.
始对象与终对象
定义 5.31. 范畴 中的一个始对象 (或称泛对象) 是一个对象 使得对于 中所有对象 , 都只存在且只存在一个态射 .
对偶地, 一个终对象是一个对象 使得对于任意 , 都存在且只存在一个态射 .
若一个对象既是始对象又是终对象, 则称其为零对象.
例 5.32. 在范畴 中, 空集 是始对象, 单点集为终对象. 在 中同样如此.
• | 中的对象为对象 配上自然变换 |
• | 中的态射为 中使得下述图表交换的态射 : |
则 可以视为 的终对象. 对偶构造告诉我们 也可以视为始对象.
译者注
1. | ^ 译者更喜欢将其称为由图表生成的范畴 |
2. | ^ 即继续复合 |
3. | ^ 需要注意的是数学里有很多 “连续函子”, 比方说景之间就有连续函子, 但是与本文所述的连续函子是不一样的, 它是拓扑空间连续映射的原像的推广. |
4. | ^ 此处原文为 Telescope 没有合适翻译, 若有合适翻译请进行修改. |
5. | ^ 或者说, 给定集合 对应的离散范畴结构. |
6. | ^ xiē hé. |
7. | ^ 确切来说, 在 中, 它可以作为幺半范畴的张量积函子, 它的右伴随即为 中的映射对象, 可以发现这使其成为闭幺半范畴. |