close
Μετάβαση στο περιεχόμενο

Αβελιανή κατηγορία

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στα μαθηματικά, μια αβελιανή κατηγορία[1] είναι μια κατηγορία στην οποία μπορούν να προστεθούν μορφισμοί και αντικείμενα και στην οποία υπάρχουν πυρήνες και συμπύρηνες που έχουν αποδεκτές ιδιότητες.

Το παραδειγματικό πρότυπο μιας αβελιανής κατηγορίας είναι η κατηγορία των αβελιανών ομάδων, Ab.

Οι αβελιανές κατηγορίες είναι πολύ σταθερές κατηγορίες. Πρόκειται για κανονικές κατηγορίες που ικανοποιούν και το λήμμα του φιδιού[2]. Η κλάση των αβελιανών κατηγοριών είναι κλειστή βάσει πολλών κατηγοριακών κατασκευών όπως, για παράδειγμα η κατηγορία των μιγαδικών αλυσίδων[3] μιας αβελιανής κατηγορίας ή η κατηγορία των συναρτητών μιας μικρής κατηγορίας προς μια αβελιανή κατηγορία είναι επίσης αβελιανή. Αυτές οι ιδιότητες σταθερότητας τις καθιστούν απαραίτητες στην ομολογική άλγεβρα και πέραν αυτής. Η θεωρία έχει σημαντικές εφαρμογές στην αλγεβρική γεωμετρία, στην ομολογία και στην καθαρή θεωρία κατηγοριών.

Ο Μακ Λέιν[4] αναφέρει ότι ο Αλεξάντερ Γκρότεντικ[5] όρισε τις αβελιανές κατηγορίες το 1957, αλλά υπάρχει μια αναφορά[6] που ισχυρίζεται ότι ο μαθητής του Άιλεμπεργκ, Μπουχσμπάουμ, είχε προτείνει την έννοια αυτή στην διδακτορική του διατριβή το 1955,[7]και ότι ο Γκρότεντικ την διέδωσε με την ονομασία "αβελιανή κατηγορία".

Μια κατηγορία είναι αβελιανή αν είναι προπροσθετική και[8]

Ο ορισμός αυτός είναι ισοδύναμος[9] με τον ακόλουθο "τμηματικό" ορισμό:

Ας σημειωθεί ότι η εμπλουτισμένη δομή στα σύνολα hom είναι συνέπεια των τριών πρώτων αξιωμάτων του πρώτου ορισμού. Αυτό υπογραμμίζει τη θεμελιώδη σημασία της κατηγορίας των αβελιανών ομάδων στη θεωρία και τον κανονικό της χαρακτήρα.

Η έννοια της ακριβούς ακολουθίας προκύπτει φυσικά σε αυτό το πλαίσιο, και αποδεικνύεται ότι οι ακριβείς συναρτητές, δηλαδή οι συναρτητές που διατηρούν τις ακριβείς ακολουθίες με διάφορες έννοιες, είναι οι κατάλληλοι συναρτητές μεταξύ των αβελιανών κατηγοριών. Αυτή η έννοια της ακριβείας έχει αξιωματικοποιηθεί στη θεωρία των ακριβών κατηγοριών, σχηματίζοντας μια πολύ ειδική περίπτωση κανονικών κατηγοριών.

  • Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η κατηγορία όλων των αβελιανών ομάδων είναι μια αβελιανή κατηγορία. Η κατηγορία όλων των πεπερασμένα παραγόμενων αβελιανών ομάδων είναι επίσης μια αβελιανή κατηγορία, όπως και η κατηγορία όλων των πεπερασμένων αβελιανών ομάδων.[11]
  • Εάν R είναι ένας δακτύλιος, τότε η κατηγορία όλων των αριστερών (ή δεξιών) προτύπων πάνω στο R είναι μια αβελιανή κατηγορία. Στην πραγματικότητα, μπορεί να αποδειχθεί ότι οποιαδήποτε μικρή αβελιανή κατηγορία είναι ισοδύναμη με μια πλήρη υποκατηγορία μιας τέτοιας κατηγορίας προτύπων (θεώρημα εμφύτευσης του Μίτσελ).
  • Εάν R είναι ένας αριστερός-ναιτέριανος δακτύλιος, τότε η κατηγορία των πεπερασμένων παραγόμενων αριστερών προτύπων πάνω στο R είναι αβελιανή. Συγκεκριμένα, η κατηγορία των πεπερασμένων παραγόμενων υποδιαιρέσεων πάνω σε έναν ναιτεριανό αντιμεταθετικό δακτύλιο είναι αβελιανή. Με αυτόν τον τρόπο, οι αβελιανές κατηγορίες εμφανίζονται στην αντιμεταθετική άλγεβρα.
  • Ως ειδικές περιπτώσεις των δύο προηγούμενων παραδειγμάτων: η κατηγορία των διανυσματικών χώρων πάνω σε ένα σταθερό σώμα k είναι αβελιανή, όπως και η κατηγορία των πεπερασμένων διανυσματικών χώρων πάνω στο k.
  • Εάν X είναι ένας τοπολογικός χώρος, τότε η κατηγορία όλων των (πραγματικών ή μιγαδικών) διανυσματικών δεσμών στο X δεν είναι συνήθως μια αβελιανή κατηγορία, καθώς μπορεί να υπάρχουν μονομορφισμοί που δεν είναι πυρήνες.
  • Εάν X είναι ένας τοπολογικός χώρος, τότε η κατηγορία όλων των δεματίων αβελιανών ομάδων στο X είναι μια αβελιανή κατηγορία. Γενικότερα, η κατηγορία των δεματίων αβελιανών ομάδων σε μια περιοχή του Γκρότεντικ είναι μια αβελιανή κατηγορία. Με αυτόν τον τρόπο, οι αβελιανές κατηγορίες εμφανίζονται στην αλγεβρική τοπολογία και την αλγεβρική γεωμετρία.
  • Εάν C είναι μια μικρή κατηγορία και A είναι μια αβελιανή κατηγορία, τότε η κατηγορία όλων των συναρτητών από C σε A σχηματίζει μια αβελιανή κατηγορία. Εάν C είναι μικρή και προπροσθετική, τότε η κατηγορία όλων των προσθετικών συναρτητών από C σε A σχηματίζει επίσης μια αβελιανή κατηγορία. Το τελευταίο είναι μια γενίκευση του παραδείγματος του R-προτύπου, καθώς ένας δακτύλιος μπορεί να θεωρηθεί ως μια προπροσθετική κατηγορία με ένα μόνο αντικείμενο.

Αξιώματα του Γκρότεντικ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στο άρθρο του για το Τόχοκου, ο Γκρότεντικ απαρίθμησε τέσσερα επιπλέον αξιώματα (και τα δίδυμα τους) που μπορεί να ικανοποιεί μια αβελιανή κατηγορία Α. Αυτά τα αξιώματα χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα. Είναι τα εξής:

και τα δυϊκά τους

  • AB3*) Για κάθε ευρετηριασμένη οικογένεια (Ai) αντικειμένων της A, το γινόμενο PAi υπάρχει στην A (δηλ. η A είναι πλήρης).
  • AB4*) A ικανοποιεί AB3*), και το γινόμενο μιας οικογένειας επιμορφισμών είναι ένας επιμορφισμός.
  • AB5*) A ικανοποιεί AB3*), και τα φιλτραρισμένα όρια των ακριβών ακολουθιών είναι ακριβή.

Δόθηκαν επίσης τα αξιώματα AB1) και AB2) Αυτά είναι που κάνουν μια πρόσθετη κατηγορία αβελιανή. Συγκεκριμένα:

Ο Γκρότενικ έδωσε επίσης τα αξιώματα AB6) και AB6*).

  • AB6) A ικανοποιεί AB3), και, δεδομένης μιας οικογένειας φιλτραρισμένων κατηγοριών και απεικονίσεων , έχουμε, όπου lim δηλώνει το φιλτραρισμένο συνόριο.
  • AB6*) A ικανοποιεί AB3*), και δεδομένης μιας οικογένειας συν-φιλτραρισμένων κατηγοριών και απεικονίσεων , έχουμε, όπου lim δηλώνει το συν-φιλτραρισμένο όριο.

Βασικές ιδιότητες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Δεδομένου οποιουδήποτε ζεύγους αντικειμένων A, B σε μια αβελιανή κατηγορία, υπάρχει ένας ειδικός μηδενικός μορφισμός από το A στο B. Αυτός μπορεί να οριστεί ως το μηδενικό στοιχείο του συνόλου Hom(A,B), δεδομένου ότι αυτό είναι μια αβελιανή ομάδα. Εναλλακτικά, μπορεί να οριστεί ως η μοναδική σύνθεση A → 0 → B, όπου το 0 είναι το μηδενικό αντικείμενο της αβελιανής κατηγορίας.

Σε μια αβελιανή κατηγορία, κάθε μορφισμός f μπορεί να γραφτεί ως σύνθεση ενός επιμορφισμού ακολουθούμενου από έναν μονομορφισμό. Αυτός ο επιμορφισμός ονομάζεται συν-εικόνα του f, ενώ ο μονομορφισμός ονομάζεται εικόνα του f.

Τα υποαντικείμενα και τα αντικείμενα πηλίκου συμπεριφέρονται καλά στις αβελιανές κατηγορίες. Επί παραδείγματι, η μερική διάταξη των υποαντικειμένων οποιουδήποτε δεδομένου αντικειμένου Α είναι ένα φραγμένο πλέγμα.

Κάθε αβελιανή κατηγορία A είναι ένα πρότυπο της μονοειδούς κατηγορίας των πεπερασμένα παραγόμενων αβελιανών ομάδων. Δηλαδή, μπορούμε να σχηματίσουμε ένα τανυστικό γινόμενο μιας πεπερασμένα παραγόμενης αβελιανής ομάδας G και οποιουδήποτε αντικειμένου A της A. Η αβελιανή κατηγορία είναι επίσης ένα συν-πρότυπο. Το Hom(G,A) μπορεί να ερμηνευθεί ως αντικείμενο της A. Εάν η A είναι πλήρης, τότε μπορούμε να αφαιρέσουμε την απαίτηση ότι η G είναι πεπερασμένα παραγόμενη. Γενικά, μπορούμε να σχηματίσουμε πεπερασμένα εμπλουτισμένα όρια στην A.

Δεδομένου ενός αντικειμένου σε μια αβελιανή κατηγορία, η επιπεδότητα αναφέρεται στην ιδέα ότι είναι ένας ακριβής συναρτητής. Βλέπε επίπεδη ενότητα ή, για γενικότερη προσέγγιση, επίπεδος μορφισμός.

Οι αβελιανές κατηγορίες είναι το πιο γενικό πλαίσιο για την ομολογική άλγεβρα. Όλες οι κατασκευές που χρησιμοποιούνται σε αυτόν τον τομέα είναι σημαντικές, όπως οι ακριβείς ακολουθίες, και ειδικά οι σύντομες ακριβείς ακολουθίες, και οι παραγόμενοι συναρτητές. Σημαντικά θεωρήματα που ισχύουν σε όλες τις αβελιανές κατηγορίες περιλαμβάνουν το λήμμα των πέντε (και το σύντομο λήμμα των πέντε ως ειδική περίπτωση), καθώς και το λήμμα του φιδιού[2] (και το λήμμα των εννέα ως ειδική περίπτωση).

Ημι-απλές αβελιανές κατηγορίες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια αβελιανή κατηγορία ονομάζεται ημι-απλή αν υπάρχει μια συλλογή αντικειμένων που ονομάζονται απλά αντικείμενα (που σημαίνει ότι τα μόνα υποαντικείμενα οποιουδήποτε είναι το μηδενικό αντικείμενο και το ίδιο) έτσι ώστε ένα αντικείμενο να μπορεί να αναλυθεί ως άμεση άθροιση (που δηλώνει το συνγινόμενο της αβελιανής κατηγορίας)

Αυτή η τεχνική προϋπόθεση είναι αρκετά αυστηρή και αποκλείει πολλά φυσικά παραδείγματα αβελιανών κατηγοριών που συναντώνται στη φύση. Επί παραδείγματι, οι περισσότερες κατηγορίες προτύπων πάνω σε ένα δακτύλιο δεν είναι ημιαπλές· στην πραγματικότητα, αυτό ισχύει αν και μόνο αν είναι ημιαπλός δακτύλιος.

Ορισμένες αβελιανές κατηγορίες που απαντώνται στη φύση είναι ημιαπλές, όπως

  • Η κατηγορία των διανυσματικών χώρων πάνω σε ένα σταθερό σώμα .
  • Σύμφωνα με το θεώρημα του Μάσκε (Maschke) η κατηγορία των αναπαραστάσεων μιας πεπερασμένης ομάδας πάνω σε ένα σώμα του οποίου το χαρακτηριστικό δεν διαιρεί το είναι μια ημιαπλή αβελιανή κατηγορία.
  • Η κατηγορία των συνεκτικών δεματίων σε ένα Ναιτεριανό σχήμα είναι ημιαπλή αν και μόνο αν είναι μια πεπερασμένη ασύνδετη ένωση μη αναγώγιμων σημείων. Αυτό ισοδυναμεί με ένα πεπερασμένο συνγινόμενο κατηγοριών διανυσματικών χώρων πάνω σε διαφορετικά δεμάτια. Το να αποδείξουμε ότι αυτό ισχύει προς τα εμπρός ισοδυναμεί με το να αποδείξουμε ότι όλες οι ομάδες εκμηδενίζονται, που σημαίνει ότι η ομολογική διάσταση είναι 0. Αυτό συμβαίνει μόνο όταν τα δεμάτια ουρανοξύστη (skyscraper sheaves) σε ένα σημείο έχουν εφαπτόμενο χώρο Ζαρίσκι ίσο με μηδέν, ο οποίος είναι ισομορφικός με χρησιμοποιώντας τοπική άλγεβρα για ένα τέτοιο σχήμα..[13]

Υπάρχουν μερικά φυσικά αντιπαραδείγματα αβελιανών κατηγοριών που δεν είναι ημιαπλές, όπως ορισμένες κατηγορίες αναπαραστάσεων. Επί παραδείγματι, η κατηγορία των αναπαραστάσεων της ομάδας Λι έχει την αναπαράσταση

η οποία έχει μόνο μία υποαναπαράσταση διαστάσεως . Στην πραγματικότητα, αυτό ισχύει για κάθε μονοδύναμη ομάδα.[14]pg 112.

Υποκατηγορίες αβελιανών κατηγοριών

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπάρχουν πολυάριθμοι τύποι (πλήρεις, προσθετικές) υποκατηγορίες αβελιανών κατηγοριών που εμφανίζονται στη φύση, καθώς και ορισμένες αντικρουόμενες ορολογίες.

Έστω Α μια αβελιανή κατηγορία, C μια πλήρης, προσθετική υποκατηγορία και I ο συναρτητής εγκλεισμού.

  • Η C είναι μια ακριβής υποκατηγορία αν είναι το ίδιο μια ακριβής κατηγορία και η έγκλειση I είναι ένας ακριβής συναρτητής. Αυτό συμβαίνει αν και μόνο αν το C είναι κλειστό υπό νηµατικό γινόµενο (pullback) επιμορφισμών και νηµατικό συνγινόµενο (pushout) μονομορφισμών. Οι ακριβείς ακολουθίες στο C είναι επομένως οι ακριβείς ακολουθίες στο A για τις οποίες όλα τα αντικείμενα βρίσκονται στο C.
  • Η C είναι μια αβελιανή υποκατηγορία αν είναι η ίδια μια αβελιανή κατηγορία και η έγκλιση I είναι ένας ακριβής συναρτητής. Αυτό συμβαίνει αν και μόνο αν η C είναι κλειστή ως προς τη λήψη πυρήνων και συμπυρήνων. Ας σημειωθεί ότι υπάρχουν παραδείγματα πλήρων υποκατηγοριών μιας αβελιανής κατηγορίας που είναι οι ίδιες αβελιανές, αλλά όπου ο συναρτητής εγκλεισμού δεν είναι ακριβής, οπότε δεν είναι αβελιανές υποκατηγορίες (βλ. παρακάτω).
  • Η C είναι μια παχύς υποκατηγορία αν είναι κλειστή υπό άθροιση άμεσων συντελεστών και ικανοποιεί την ιδιότητα 2-από-3 σε σύντομες ακριβείς ακολουθίες. Δηλαδή, αν είναι μια σύντομη ακριβής ακολουθία στην A, έτσι ώστε δύο από τα να βρίσκονται στην C, τότε το ίδιο ισχύει και για το τρίτο. Με άλλα λόγια, η C είναι κλειστή υπό πυρήνες επιμορφισμών, συμπυρήνες μονομορφισμών και επεκτάσεις. Ας σημειωθεί ότι ο Π. Γκαμπριέλ χρησιμοποίησε τον όρο "παχιά υποκατηγορία" για να περιγράψει αυτό που εδώ ονομάζουμε υποκατηγορία Σερ.
  • Η C είναι μια τοπολογητική υποκατηγορία αν είναι κλειστή ως προς τα υποπηλίκα.
  • Η C είναι υποκατηγορία Σερ αν, για όλες τις σύντομες ακριβείς ακολουθίες στην A, έχουμε M στην C αν και μόνο αν και τα δύο είναι στην C. Με άλλα λόγια, η C είναι κλειστή υπό επεκτάσεις και υποληλίκα. Αυτές οι υποκατηγορίες είναι ακριβώς οι πυρήνες των ακριβών συναρτητών από την A σε μια άλλη αβελιανή κατηγορία.
  • Η C είναι μια υποκατηγορία εντοπισμού αν είναι μια υποκατηγορία Σερ τέτοια ώστε ο συναρτητής πηλίκου δέχεται έναν δεξί συζυγή.
  • Υπάρχουν δύο ανταγωνιστικές έννοιες μιας ευρείας υποκατηγορίας. Η μία εκδοχή είναι ότι η C περιέχει κάθε αντικείμενο της A (μέχρι ισομορφισμό) Για μια πλήρη υποκατηγορία, αυτό προφανώς δεν είναι ενδιαφέρον. (Αυτό ονομάζεται επίσης υποκατηγορία lluf). Η άλλη εκδοχή είναι ότι η C είναι κλειστή υπό επεκτάσεις.

Ακολουθεί ένα σαφές παράδειγμα μιας πλήρους, προσθετικής υποκατηγορίας μιας αβελιανής κατηγορίας που είναι η ίδια αβελιανή, αλλά ο συναρτητής εγκλεισμού δεν είναι ακριβής. Έστω k ένα σώμα η άλγεβρα των άνω τριγωνικών πινάκων στο k, και η κατηγορία των πεπερασμένων διαστάσεων -προτύπων. Τότε κάθε είναι μια αβελιανή κατηγορία και έχουμε έναν συναρτητή εγκλεισμού που προσδιορίζει τα απλά προβολικά, απλά ερριπτικά[15] και αδιάσπαστα προβολικά-ερριπτικά πρότυπα. Η ουσιαστική εικόνα του I είναι μια πλήρης, προσθετική υποκατηγορία, αλλά το I δεν είναι ακριβές.

Οι αβελιανές κατηγορίες εισήχθησαν από τον Μπούκσμπαουμ (Buchsbaum (1955) (με την ονομασία «ακριβής κατηγορία») και τον Γκρότεντικ (Grothendieck (1957) με σκοπό την ενοποίηση διαφόρων θεωριών ομολογίας. Εκείνη την εποχή, υπήρχε μια θεωρία ομολογίας για δεμάτια και μια θεωρία ομολογίας για ομάδες. Οι δύο ορίζονταν διαφορετικά, αλλά είχαν παρόμοιες ιδιότητες. Στην πραγματικότητα, μεγάλο μέρος της θεωρίας κατηγοριών αναπτύχθηκε ως γλώσσα για τη μελέτη αυτών των ομοιοτήτων. Ο Γκρότεντικ ενοποίησε τις δύο θεωρίες: και οι δύο προκύπτουν ως παραγόµενων συναρτητών σε αβελιανές κατηγορίες, την αβελιανή κατηγορία των δεματίων αβελιανών ομάδων σε έναν τοπολογικό χώρο και την αβελιανή κατηγορία των G-προτύπων για μια δεδομένη ομάδα G.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. Weisstein, Eric W. «Abelian Category». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 3 Οκτωβρίου 2025.
  2. 1 2 Weisstein, Eric W. «Snake Lemma». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 4 Οκτωβρίου 2025.
  3. «chain complex in nLab». ncatlab.org (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 4 Οκτωβρίου 2025.
  4. Mac Lane, Saunders (17 Απριλίου 2013). Categories for the Working Mathematician. Graduate Texts in Mathematics. 5 (second έκδοση). Springer Science+Business Media. σελ. 205. ISBN 978-1-4757-4721-8.
  5. Grothendieck (1957)
  6. David Eisenbud and Jerzy Weyman. «MEMORIAL TRIBUTE Remembering David Buchsbaum» (PDF). American Mathematical Society. Ανακτήθηκε στις 22 Δεκεμβρίου 2023.
  7. Buchsbaum (1955)
  8. «abelian category - Definition -ncatLab».
  9. Peter Freyd, Abelian Categories
  10. Handbook of categorical algebra, vol. 2, F. Borceux
  11. «Abelian category - Examples».
  12. «colimit in nLab». ncatlab.org (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 4 Οκτωβρίου 2025.
  13. «algebraic geometry - Tangent space in a point and First Ext group». Mathematics Stack Exchange. Ανακτήθηκε στις 23 Αυγούστου 2020.
  14. Humphreys, James E. (2004). Linear algebraic groups. Springer. ISBN 0-387-90108-6. OCLC 77625833.
  15. Services, ProZ com Translation. «surjective - injective - bijective (function) > επιρριπτική - ερριπτική - αμφιρριπτική (συνάρτηση) - English to Greek translation on #KudoZ Term Help Network». www.proz.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 22 Ιουλίου 2025.