範疇 (數學)

在範疇論中，範疇此一概念代表著一堆數學實體和存在於這些實體間的關係。對範疇的研究允許其公式化抽象結構及保有結構的數學運算等概念。實際上，範疇在現代數學的每個分支之中都會出現，而且是統合這些領域的核心概念。有關範疇自身的研究被稱做是範疇論。

定義

一個範疇 C 包括：

• 一個由物件所構成的類 ob(C)
• 物件間的態射所構成的類 hom(C)。每一個態射 f 都會有唯一個「源物件」 a 和「目標物件」 b， 且 a 和 b都在 ob(C) 之內。因此寫成 f: a → b ，且稱 f 為由 a 至 b 的態射。所有由 a 至 b 的態射所構成的「態射類」，其標記為 hom(a, b) （或 hom_C(a, b) ）。
• 對任三個物件 a 、 b 和 c ，二元運算 hom(a, b) × hom(b, c) → hom(a, c) 稱之為態射複合；f : a → b 和 g : b → c 的複合寫成 g o f 或 gf 。

此態射複合滿足下列公理：

• （結合律）若 f : a → b 、 g : b → c 且 h : c → d ，則 h o (g o f) = (h o g) o f ；
• （單位元）對任一物件 x ，存在一態射 1_x : x → x ，使得每一態射 f : a → b ，都會有 1_b o f = f = f o 1_a 。此一態射稱為「 x 的單位態射」。

由上述公理，可證明對每一個物件均只確實地存在著單一個單位態射。一些作者會將每一個物件等同於其相對應的單位態射。

小範疇是一個 ob(C) 和 hom(C) 都是集合而不是真類的範疇。不是小範疇的範疇則稱之為大範疇。局部小範疇是指對所有物件 a 和 b ，態射類 hom(a,b)都會是集合（被稱之為態射集合）的一個範疇。許多在數學中的重要範疇（如集合的範疇），即使不是小範疇，但也都至少會是局部小範疇。

例子

每一範疇都可由其物件、態射和態射複合來表示。

• 所有集合的範疇 Set ，其態射為集合間的函數，而態射複合則為一般的函數複合。（下列皆為具體範疇的例子，即在 Set 上加入一些結構，且要求態射為對應於此附加結構的函數，態射複合則為簡單的一般函數複合。)
  • 所有預序關係的範疇 Ord ，其態射為單調函數。
  • 所有原群的範疇 Mag ，其態射為原群間的同態。
  • 所有群的範疇 Grp ，其態射為群間的群同態。
  • 所有阿貝爾群的範疇 Ab ，其態射為群間的群同態。
  • 所有環的範疇 Ring ，其態射為環同態。
  • 所有於 體 K （維持固定）上的向量空間的範疇 Vect_K ，其態射為線性映射。
  • 所有拓樸空間的範疇 Top ，其態射為連續函數。
  • 所有度量空間的範疇 Met ，其態射為度量映射。
  • 所有一致空間的範疇 Uni ，其態射為一致連續函數。
  • 所有光滑流形的範疇 Man^p ，其態射為 p 次連續可微映射。
• 所有小範疇的範疇 Cat ，其態射為函子。
• 所有集合的範疇 Rel ，其態射為關係
• 任一預序集合 (P, ≤) 都會形成一個小範疇，其物件為 P 的元素，態射為由 x 至 y 若 x ≤ y (而態射複合的公理則是必然滿足的，因為由任一物件至另一物件間至多只存在一個態射)。
• 任一么半群都會形成一個具單一個物件 x 的小範疇（此處的 x 是任一個固定的集合)。從 x 至 x 的態射恰好是么半群的元素，且其態射複合由么半群的運算所給定。么半群令態射絕不可能為函數，唯一從單元素集合 x 至 x 的函數為當然函數。可視範疇為廣義化了的么半群；一些和么半群有關的定義和定理也可能可以義廣化成範疇的定義和定理。
• 任一有向圖都會產生一個小範疇：其物件為圖的頂點，態射為圖中的路徑，而態射複合則為路徑的串接。這被稱之為由圖產生出的「自由範疇」。
• 若 I 是一個集合，「在 I 上的具體範疇」會是個小範疇，其物件為 I 的元素，而態射則只有單位態射。當然，其態射複合的公理是必然滿足的。
• 任一範疇 C 皆可以另一種方式被視為是一個新的範疇：其物件和原範疇的一樣，但態射則和原範疇相反。這被稱之為對偶範疇，標計為 C^op 。
• 若 C 和 D 為範疇，可形成一「積範疇」 C × D ：其物件為由 C 和 D 內的物件所組成的對，且態射亦為由 C 和 D 內的態射所組成的對。這些對的態射複合是由各元素各自複合。

參考文獻

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• Asperti, Andrea, & Longo, Giuseppe (1991). Categories, Types and Structures. Originally publ. M.I.T. Press.
• Barr, Michael, & Wells, Charles (2002). Toposes, Triples and Theories. (revised and corrected free online version of Grundlehren der mathematischen Wissenschaften (278). Springer-Verlag,1983)
• Borceux, Francis (1994). Handbook of Categorical Algebra.. Vols. 50-52 of Encyclopedia of Mathematics and its Applications. Cambridge: Cambridge University Press.
• Lawvere, William, & Schanuel, Steve. (1997). Conceptual Mathematics: A First Introduction to Categories. Cambridge: Cambridge University Press.
• Mac Lane, Saunders (1998). Categories for the Working Mathematician (2nd ed.). Graduate Texts in Mathematics 5. Springer. ISBN 0-387-98403-8.

• Jean-Pierre Marquis, "Category Theory" in Stanford Encyclopedia of Philosophy, 2006

外部連結

• Homepage of the Categories mailing list, with extensive list of resources
• Category Theory section of Alexandre Stefanov's list of free online mathematics resources