Кіріспе
Категориялар теориясындағы табиғи трансформациялар. Категориялар теориясында зерттеудің орталық нысаны. Математиканың бір саласы – категориялар теориясында табиғи трансформация бір функторды екіншісіне айналдырудың тәсілін ұсынады, бұл ретте қатысты категориялардың ішкі құрылымын (яғни морфизмдердің композициясын) сақтайды. Сондықтан табиғи трансформацияны "функторлардың морфизмі" деп қарастыруға болады. Формальды емес тұрғыдан алғанда, табиғи трансформация түсінігі функторлар арасындағы нақты бір бейіндеуді бүкіл категория бойынша дәйкес жүзеге асыруға болатынын көрсетеді. Бұл интуицияны функторлық категориялар деп аталатын ұғымды формалдау үшін пайдалануға болады. Табиғи трансформациялар категориялар мен функторлардан кейін категориялар теориясының ең маңызды ұғымдарының бірі болып табылады және оның көптеген қолданыс аймақтарында кездеседі.
Central object of study in category theoryIn category theory, a branch of mathematics, a natural transformation provides a way of transforming one functor into another while respecting the internal structure (i. e., the composition of morphisms) of the categories involved. Hence, a natural transformation can be considered to be a "morphism of functors". Informally, the notion of a natural transformation states that a particular map between functors can be done consistently over an entire category. Indeed, this intuition can be formalized to define so called functor categories. Natural transformations are, after categories and functors, one of the most fundamental notions of category theory and consequently appear in the majority of its applications.
Модульдер
Оң модульдердің гомоморфизмі болсын. Кез келген сол модуль үшін табиғи бейнелеу бар , одан табиғи түрлендіру құрастырылады. Кез келген оң модуль үшін табиғи бейнелеу анықталады , одан табиғи түрлендіру құрастырылады.
Хуревич гомоморфизмі
Функторлар мен табиғи түрлендірулер алгебралық топологияда кең таралған, Хюревич гомоморфизмдері олардың мысалы болып табылады. Кез келген нүктеленген топологиялық кеңістік және оң бүтін сан үшін, -ның -шы гомотопия тобынан -ның -шы гомология тобына бір гомоморфизм бар. Екі гомоморфизм де нүктеленген топологиялық кеңістіктер Top* санаттарынан топтар Grp санаттарына функторлар болып табылады, ал - бұл функторынан функторына табиғи түрлендіру.
from the th homotopy group of to the th homology group of Both and are functors from the category Top* of pointed topological spaces to the category Grp of groups, and is a natural transformation from to .
Векторлық кеңістіктің қос дуалы
Эндофункторды, яғни бір категорияны сол категорияға бейнелейтін функторды қарастырғанда, сәйкестік функторынан осы функторға компоненттері арқылы табиғи түрлендіру бар. Мысалы, егер F өріс болса, онда F өрісі үстіндегі әрбір векторлық кеңістік үшін векторлық кеңістіктен оның қос дуалына "табиғи" инъективті сызықтық бейнелеу болады. Бұл бейнелеулер келесі мағынада "табиғи": қос дуал операциясы – функтор, ал бейнелеулер – сәйкестік функторынан қос дуал функторына табиғи түрлендірудің құрамдас бөліктері.
For example, if is a field, then for every vector space over we have a "natural" injective linear map from the vector space into its double dual. These maps are "natural" in the following sense: the double dual operation is a functor, and the maps are the components of a natural transformation from the identity functor to the double dual functor.
Табиғи емес изоморфизм
Табиғи түрлендіру ұғымы категориялық болып табылады және функторлар арасындағы нақты бір бейнелеудің бүкіл категория бойынша дәйекті түрде жасала алатынын (бейресми түрде) көрсетеді. Бейресми түрде, жеке объектілер (толық категориялар емес) арасындағы нақты бір бейнелеу (әсіресе изоморфизм) «табиғи изоморфизм» деп аталады, яғни ол шын мәнінде бүкіл категорияда анықталған және функторлардың табиғи түрлендіруін анықтайды; осы түйсікті формалдау категориялар теориясының дамуына серпін берді. Керісінше, егер бейнелеуді бүкіл категория бойынша табиғи түрлендіруге кеңейту мүмкін болмаса, екі нақты объекті арасындағы нақты бір бейнелеуді «табиғи емес изоморфизм» (немесе «бұл изоморфизм табиғи емес») деп атауға болады. Объектке және изоморфизмге функторды (жеңілдік үшін бірінші функторды сәйкестік функторы деп қабылдасақ) беру арқылы табиғи еместікті дәлелдеудің ең оңай жолы – осы изоморфизммен коммутацияламайтын автоморфизмді көрсету болып табылады (яғни ). Егер біреу және табиғи түрде изоморфты емес екенін дәлелдегісі келсе, бұл нақты бір изоморфизмге сілтеме жасамай, кез келген изоморфизм үшін онымен коммутацияламайтын автоморфизмнің бар екенін көрсетуді қажет етеді; кейбір жағдайларда бір автоморфизм барлық мүмкін изоморфизмдер үшін жұмыс істейді, ал басқа жағдайларда әр изоморфизм үшін әртүрлі автоморфизмді қалай құрастыру керектігін көрсету қажет. Категорияның бейнелеулері маңызды рөл атқарады – егер жалғыз бейнелеу сәйкестік бейнелеу болса, кез келген инфратабиғи түрлендіру табиғи болады. Бұл топтар теориясы немесе модульдер теориясындағы ұғымдарға ұқсас (бірақ көбірек категориялық), онда объектінің тікелей қосындыға жіктелуі «табиғи емес» немесе «бірегей емес» болып табылады, себебі тікелей қосынды жіктелуін сақтамайтын автоморфизмдер бар – мысалы қараңыз. Кейбір авторлар белгілеу арқылы ажыратады, табиғи изоморфизм үшін және табиғи емес изоморфизм үшін пайдаланады, ал теңдік үшін (әдетте бейнелеулердің теңдігі) қалдырады.
Мысал: торлардың негізгі тобы
Функторлық тұжырым мен жеке нысандар арасындағы айырмашылықты көрсету үшін, өнім кеңістігінің гомотопиялық топтарын, әсіресе тордың негізгі тобын қарастырайық. Өнім кеңістігінің гомотопиялық топтары, компоненттерінің гомотопиялық топтарының көбейтіндісі болып табылады, изоморфизм екі факторға проекция арқылы беріледі, себебі өнім кеңістігіне жасалған карталар, компоненттерге жасалған карталардың нақты көбейтіндісі болып табылады – бұл функторлық тұжырым. Дегенмен, тор (абстрактілі түрде екі шеңбердің көбейтіндісі) негізгі тобы изоморфты , бірақ бұл бөліну табиғи емес. , , және : Бұл абстрактілі изоморфизмді көбейтінді ретінде қолдану табиғи емес, өйткені кейбір изоморфизмдер көбейтіндіні сақтамайды: (геометриялық тұрғыдан Dehn бұрылысы) болатын (көлденең кеңістік ретінде қарастырылатын) өзіндік гомеоморфизм, осы матрица ретінде әрекет етеді (бұл инвертирленетін бүтін сан матрицаларының жалпы сызықтық тобында), ол көбейтіндіні сақтамайды, себебі ол диагональды емес. Алайда, егер тор көбейтінді ретінде берілсе – яғни, кеңістіктің ыдырауы берілген болса – топтың бөлінуі жоғарыда айтылған жалпы тұжырымнан туындайды. Категориялық тұрғыдан алғанда, тиісті категория (өнім кеңістігінің құрылымын сақтау) – «өнім кеңістіктерінің карталары, атап айтқанда тиісті компоненттер арасындағы карталар жұбы». Табиғаттылық – категориалық ұғым және нақты қандай деректер берілгендігі туралы өте нақты болуды қажет етеді. Тор, кеңістік ретінде және кеңістіктер мен үздіксіз карталар санатында өнім ретінде ұсынылатын тор, екі кеңістіктің және тиісті компоненттер арасындағы үздіксіз карталардың өнімі санатында өнім ретінде ұсынылған тортан өзгеше.
This abstract isomorphism with a product is not natural, as some isomorphisms of do not preserve the product: the self homeomorphism of (thought of as the quotient space ) given by (geometrically a Dehn twist about one of the generating curves) acts as this matrix on (it's in the general linear group of invertible integer matrices), which does not preserve the decomposition as a product because it is not diagonal. However, if one is given the torus as a product – equivalently, given a decomposition of the space – then the splitting of the group follows from the general statement earlier. In categorical terms, the relevant category (preserving the structure of a product space) is "maps of product spaces, namely a pair of maps between the respective components". Naturality is a categorical notion, and requires being very precise about exactly what data is given – the torus as a space that happens to be a product (in the category of spaces and continuous maps) is different from the torus presented as a product (in the category of products of two spaces and continuous maps between the respective components).
Мысал: шекті өлшемді векторлық кеңістіктің дуалы
Әрбір шекті өлшемді векторлық кеңістік өзінің дуалдық кеңістігіне изоморфты, бірақ екі кеңістік арасында көптеген әртүрлі изоморфизмдер болуы мүмкін. Жалпы алғанда, шекті өлшемді векторлық кеңістік пен оның дуалдық кеңістігі арасында табиғи изоморфизм жоқ. Дегенмен, байланысты санаттарда (карталарда қосымша құрылым мен шектеулер бар) төменде сипатталғандай табиғи изоморфизм бар. Шекті өлшемді векторлық кеңістіктің дуалдық кеңістігі де дәл сол өлшемді шекті өлшемді векторлық кеңістік болып табылады, сондықтан олар изоморфты, себебі өлшем берілген дала бойынша шекті өлшемді векторлық кеңістіктердің жалғыз инварианты болып табылады. Алайда, қосымша шектеулер болмаған жағдайда (мысалы, карталар таңдалған базисті сақтауы керек), кеңістіктен оның дуалдық кеңістігіне жүзеге асырылатын карта бірегей емес, сондықтан мұндай изоморфизм таңдауды қажет етеді және «табиғи емес». Шекті өлшемді векторлық кеңістіктер мен сызықтық карталар санаттарында, әр кеңістік үшін изоморфизмді таңдап (мысалы, әр векторлық кеңістік үшін базисті таңдап, тиісті изоморфизмді алып), векторлық кеңістік пен оның дуалдық кеңістігі арасындағы табиғи емес изоморфизмді анықтауға болады, бірақ бұл табиғи түрлендіруді анықтамайды. Бұл интуитивті түрде таңдау қажеттілігімен түсіндіріледі, ал қатаң түрде – мұндай изоморфизмдердің кез келген таңдауы, мысалы, нөлдік картамен үйлеспейді; толыққанды талқылау үшін қараңыз. Шекті өлшемді векторлық кеңістіктерді (объектілер ретінде) және сәйкестік және дуалдық функторларды бастап алып, табиғи изоморфизмді анықтауға болады, бірақ бұл алдымен қосымша құрылымды қосуды, содан кейін карталарды «барлық сызықтық карталардан» «осы құрылымды сақтайтын сызықтық карталарға» шектеуді талап етеді. Яғни, әр векторлық кеңістік үшін оның дуалдық кеңістігімен изоморфизмінің деректерімен бірге келуін талап етіңіз. Басқаша айтқанда, объектілер ретінде дегенерацияланбаған билинейрлік формасы бар векторлық кеңістіктерді қарастырыңыз. Бұл табиғи емес изоморфизмді (әр объекті үшін изоморфизмді) анықтайды. Содан кейін карталарды тек изоморфизмдермен коммутациялайтын карталарға ғана шектейміз: немесе басқаша айтқанда, билинейрлік форманы сақтайды: (Бұл карталар изоморфизмдердің натурализаторын анықтайды.) Нәтижесінде пайда болған санатта объектілер дегенерацияланбаған билинейрлік формасы бар шекті өлшемді векторлық кеңістіктер, ал карталар – билинейрлік форманы сақтайтын сызықтық түрлендірулер болып табылады. Құрылысы бойынша, бұл санат сәйкестіктен дуалдық кеңістікке табиғи изоморфизмге ие (әр кеңістіктің дуалдық кеңістігімен изоморфизмі бар, ал санаттағы карталар коммутациялауы керек). Осы тұрғыдан қарағанда, бұл құрылым (әр объекті үшін түрлендірулерді қосу, осы түрлендірулермен коммутациялайтын карталарды шектеу) толығымен жалпы және векторлық кеңістіктердің ерекше қасиеттеріне тәуелді емес. Бұл санатта (дегенерацияланбаған билинейрлік формасы бар шекті өлшемді векторлық кеңістіктер, билинейрлік форманы сақтайтын сызықтық түрлендірулерді карталар ретінде) векторлық кеңістіктер арасындағы картаның дуалдығы транспоза ретінде анықталады. Көбінесе геометриялық қызығушылықтардан туындайтын себептерге байланысты, бұл субкатегорияға маманданады, ол дегенерацияланбаған билинейрлік формалардың қосымша қасиеттеріне ие болуын талап етеді, мысалы, симметриялық (ортогоналды матрицалар), симметриялық және оң анықталған (ішкі өнім кеңістігі), симметриялық сесквилинейрлық (гермиттік кеңістіктер), кососимметриялық және толығымен изотроптық (симплектілік векторлық кеңістік) және т.б. – барлық осы санаттарда векторлық кеңістік дегенерацияланбаған билинейрлік форма арқылы табиғи түрде оның дуалдық кеңістігімен сәйкестендіріледі.
Тағы да мысалдар
Кез келген лимит және колимит қарапайым табиғи түрлендірудің мысалы болып табылады, себебі конус диагональдық функтор домен ретінде болатын табиғи түрлендіруге баламалы. Расында, егер лимиттер мен колимиттер олардың әмбебап қасиеттері арқылы тікелей анықталса, олар функторлар санатындағы әмбебап морфизмдер болып есептеледі.
Йонеда леммасы
Егер объект жергілікті шағын санаттағы болса, онда белгілеу ковариантты функторды анықтайды. Бұл функтор өкілдікке ие деп аталады (жалпы алғанда, өкілдікке ие функтор – бұл функторға табиғи түрде изоморфты кез келген функтор). Өкілдікке ие функтордан кез келген функторға табиғи түрлендірулер толыққанды белгілі және оңай сипатталады; бұл Йонеда леммасының мәні.
Тарихи жазбалар
Категориялар теориясының негізін қалаушылардың бірі Сондерс Мак Лейн: "Мен категорияларды функторларды зерттеу үшін емес, табиғи трансформацияларды зерттеу үшін ойлап таптым" деген еді. Группаларды зерттеу гомоморфизмдерді зерттеусіз толық болмайтындай, категорияларды зерттеу де функторларды зерттеусіз толық болмайды. Мак Лейннің осы пікірінің себебі – функторларды зерттеудің өзі табиғи трансформацияларды зерттеусіз толық емес. Мак Лейннің бұл ескертуі гомологияның аксиоматикалық теориясы аясында айтылды. Гомологияны құрудың әртүрлі жолдары сәйкес келетінін көрсетуге болады: мысалы, симплициалдық кешен жағдайында тікелей анықталған топтар сингулярлық теориядағы топтармен изоморфты болады. Табиғи трансформациялар тілі қолданылмаса, гомологиялық топтардың объектілер арасындағы морфизмдермен үйлесімділігін және екі эквивалентті гомологиялық теорияның бірдей гомологиялық топтарға ие болумен қатар, сол топтар арасындағы морфизмдердің де бірдей болуын түсіндіру қиын.