Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бұл мақалада топостың математикалық идеясының өте жалпы негіздері берілген. Бұл категориялар теориясының бір саласы болып табылады және оның түсінігі қиын деп есептеледі. Абстракция деңгейін белгілі бір шектен артық төмендету мүмкін емес, бірақ екінші жағынан, оған түсінік беруге болады. Бұл, бір жағынан, тарихи дамумен байланысты, сондай-ақ, категориялар теориясына деген түрлі көзқарастарды түсіндіруге көмектеседі.
This article gives some very general background to the mathematical idea of topos. This is an aspect of category theory, and has a reputation for being abstruse. The level of abstraction involved cannot be reduced beyond a certain point; but on the other hand context can be given. This is partly in terms of historical development, but also to some extent an explanation of differing attitudes to category theory.
Гротендиктің мектебінде
1950 жылдардың соңында алгебралық геометрияның негіздері қайта жазылып жатты, және осы жерде топос тұжырымдамасының бастауы табылады. Сол кезде Вейль болжамдары зерттеулерге күшті ынталандыру болды. Қазіргі таңда біз білетіндей, оларды дәлелдеу және басқа да жетістіктерге жету үшін этальдік когомологияны құру қажет болды. Кері көзбен қарағанда, алгебралық геометрия ұзақ уақыт бойы екі мәселеге күрескенін айтуға болады. Біріншісі оның нүктелерімен байланысты: проективтік геометрия дәуірінде алгебралық сорттағы "жеткілікті" нүктелердің болмауы жақсы геометриялық теорияның (ол компактты көптеуіштікке ұқсас) болуына кедергі келтіретіні анық болды. XX ғасырдың бірінші жартысында топология қалыптасқанда, алгебралық сорттардың топологиясында ашық жиынтардың "өте аз" екендігі де қиындық тудырды. 1950 жылға қарай нүктелер мәселесі шешілуге жақын болды; Александр Гротендик (Йонеда леммасын қолданып) оны табиғи түрде шешетін маңызды қадам жасады – бұл әрбір сорттың немесе жалпы схеманың функтор болуын талап етті. Алайда, ашық жиынтарды қосу мүмкін болмады. Алдағы жол басқаша болды. Топос анықтамасы алғаш рет 1960 жыл шамасында айқын емес түрде пайда болды. Алгебралық геометриядағы «түсініс» деп аталатын жалпы мәселелер қарастырылды, сол кезде фундаментальдық топ алгебралық геометрия контекстінде (про-соңғы топ ретінде) жалпыланды. Кейінгі жұмыстардың (шамамен 1970 ж.) негізінде «түсініс» комонадтар теориясының бір бөлігі болып табылады; мұнда Гротендик мектебінің «таза» категория теоретиктерінен тәсілдерінің айырмашылығын көреміз, бұл топос тұжырымдамасының кейінірек қалай қарастырылғанын түсіну үшін маңызды. Мүмкін, тікелей жол да болды: Гротендик гомологиялық алгебра бойынша негізгі жұмысында абельдік топтар мен модульдердің санаттарын біріктіру үшін абельдік санат тұжырымдамасын енгізген. Абельдік санаттың белгілі бір категориялық операциялар бойынша жабық болуы күтіледі. Мұндай анықтаманы қолдану арқылы адам құрылымға толығымен назар аударуы мүмкін, ал объектілердің табиғаты туралы ештеңе айтудың қажеті жоқ. Бұл анықтаманың тамыры 1930 жылдардағы тор тұжырымдамасына жетеді. 1957 жыл шамасында жиынтардың санаттарының категориялық сипаттамасын сұрау мүмкін болды, ал абельдік топтардың санаттары Гротендик жұмысына (Тохоку мақаласы) енді. Топостың мұндай анықтамасы бес жылдан кейін, 1962 жылы Гротендик пен Вердье берді (Вердьенің Никола Бурбаки семинары «Анализ Ситус» қараңыз). Сипаттама «жеткілікті колымдармен» санаттар арқылы жүзеге асырылды және қазір Гротендик топосы деп аталатын нәрсеге қолданылды. Теория Гротендик топосының санаттардың санаты екендігін белгілеп, толықтырылды, мұнда «санат» сөзі кеңейтілген мағынаға ие болды, өйткені ол Гротендик топологиясын қамтыды. Гротендик топологиясы (немесе сайт) идеясын Джон Тейт Риманн бетінің екі мағынасына жасалған батыл ойын ретінде сипаттады. Техникалық тұрғыдан алғанда, ол ізделіп отырған этальдік когомологияны (сондай-ақ жазық когомология және кристалдық когомология сияқты басқа да нақты теорияларды) құруға мүмкіндік берді. Осы кезде – 1964 жылға қарай – алгебралық геометрияның дамуының күші шамасымен келді. «Ашық жиынтар» туралы талқылау олардың (қалыпты) Зариски ашық жиынтарының тармақтамаған қаптамаларында сорттардың жеткілікті бай сайты бар деген қорытындыға келді.
During the latter part of the 1950s, the foundations of algebraic geometry were being rewritten; and it is here that the origins of the topos concept are to be found. At that time the Weil conjectures were an outstanding motivation to research. As we now know, the route towards their proof, and other advances, lay in the construction of étale cohomology. With the benefit of hindsight, it can be said that algebraic geometry had been wrestling with two problems for a long time. The first was to do with its points: back in the days of projective geometry it was clear that the absence of 'enough' points on an algebraic variety was a barrier to having a good geometric theory (in which it was somewhat like a compact manifold). There was also the difficulty, that was clear as soon as topology took form in the first half of the twentieth century, that the topology of algebraic varieties had 'too few' open sets. The question of points was close to resolution by 1950; Alexander Grothendieck took a sweeping step (invoking the Yoneda lemma) that disposed of it—naturally at a cost, that every variety or more general scheme should become a functor. It wasn't possible to add open sets, though. The way forward was otherwise. The topos definition first appeared somewhat obliquely, in or about 1960. General problems of so called 'descent' in algebraic geometry were considered, at the same period when the fundamental group was generalised to the algebraic geometry setting (as a pro finite group). In the light of later work (c. 1970), 'descent' is part of the theory of comonads; here we can see one way in which the Grothendieck school bifurcates in its approach from the 'pure' category theorists, a theme that is important for the understanding of how the topos concept was later treated. There was perhaps a more direct route available: the abelian category concept had been introduced by Grothendieck in his foundational work on homological algebra, to unify categories of sheaves of abelian groups, and of modules. An abelian category is supposed to be closed under certain category theoretic operations—by using this kind of definition one can focus entirely on structure, saying nothing at all about the nature of the objects involved. This type of definition can be traced back, in one line, to the lattice concept of the 1930s. It was a possible question to ask, around 1957, for a purely category theoretic characterisation of categories of sheaves of sets, the case of sheaves of abelian groups having been subsumed by Grothendieck's work (the Tôhoku paper). Such a definition of a topos was eventually given five years later, around 1962, by Grothendieck and Verdier (see Verdier's Nicolas Bourbaki seminar Analysis Situs). The characterisation was by means of categories 'with enough colimits', and applied to what is now called a Grothendieck topos. The theory was rounded out by establishing that a Grothendieck topos was a category of sheaves, where now the word sheaf had acquired an extended meaning, since it involved a Grothendieck topology. The idea of a Grothendieck topology (also known as a site) has been characterised by John Tate as a bold pun on the two senses of Riemann surface. Technically speaking it enabled the construction of the sought after étale cohomology (as well as other refined theories such as flat cohomology and crystalline cohomology). At this point—about 1964—the developments powered by algebraic geometry had largely run their course. The 'open set' discussion had effectively been summed up in the conclusion that varieties had a rich enough site of open sets in unramified covers of their (ordinary) Zariski open sets.
Топос теориясының орны
Девид Гилберттің ұзақ мерзімді бағдарламасын іске асыруда интуиционистік логиканың негізгі идеяларына табиғи орын табылды, бұл белгілі бір ирония тудырды: Гилберт Л. Э. Й. Брауэр мектебін жек көретін. 'Жергілікті' болмыс ретіндегі өмір, қазір Крипке–Жояль семантикасы деп аталатын нәрсе, жақсы сәйкес келеді. Екінші жағынан, Брауэрдің 'түрлер' деп атаған шын сандардың интуиционистік теориясы бойынша жасаған ұзақ еңбектері, болжам бойынша, бір жолмен тарихи маңызын жойып, мәртебесінен айырылды. Әрбір топоста нақты сандар теориясы бар, сондықтан бірыңғай интуиционистік теория жоқ. Эталь кохомологиясы бойынша кейінгі жұмыстар толық, жалпы топос теориясының қажеттігін жоққа шығарды. Бірақ басқа сайттар да қолданылады, ал Гротендиктің топосы гомологиялық алгебрада өз орнын алды. Лоувирдің бағдарламасы – категориялар теориясы тұрғысынан жоғары ретті логиканы жазу. Мұны таза түрде жасауға болатынын Жоахим Ламбек пен П. Дж. Скотттың кітабы көрсетіп берді. Нәтижесінде интуиционистік (яғни конструктивтік логика) теория пайда болады, оның мазмұны еркін топостың болуымен нақтыланады. Бұл – кең мағынада жиын теориясы, бірақ сонымен қатар таза синтаксис саласына жататын нәрсе. Оның субобъекттер жіктегішінің құрылымы – Хейтинг алгебрасының құрылымы. Классикалық жиын теориясын алу үшін, Буль алгебрасы болатын топостарға немесе тіпті тек екі шындық мәні бар топостарға қарауға болады. Бұл кітап конструктивтік математика туралы, бірақ шындығында оны негіздік компьютерлік ғылым ретінде де оқуға болады (бұл туралы айтылмаған). Егер жиын теориялық операцияларды, мысалы, функцияның кескінін (область құрамын) талқылау керек болса, топос мұны толық конструктивтік түрде білдіре алатынына кепілдік беріледі. Сондай-ақ, ол орынсыз топологияда қолжетімді туынды тудырды, онда локаль ұғымы топосты топологиялық кеңістіктің маңызды дамуы ретінде қарастыру арқылы алынған кейбір түсініктерді бөліп көрсетеді. Слоган – 'нүктелер кейін келеді': бұл осы беттегі талқыны толық айналып келтіреді. Бұл көзқарас Питер Джонстоунның 'Stone Spaces' кітабында жазылған, оны компьютерлік ғылым саласындағы жетекші ғалым 'экстенсиональдық туралы трактат' деп атады. Математикада экстенсиональдық нәрсе – қоршаған орта ретінде қарастырылады, математиктер одан теория күтпейді. Мүмкін, осы себептен топос теориясы ерекшелік ретінде қарастырылады, ол дәстүрлі геометриялық ойлаудың шегінен асып түседі. Типтелмеген лямбда-есептеу сияқты толық интенсионалды теориялардың қажеттіліктері денотациялық семантикада қанағаттандырылды. Топос теориясы осы саладағы мүмкін болатын 'бас теория' ретінде ұзақ уақыттан бері қарастырылып келеді.
There was some irony that in the pushing through of David Hilbert's long range programme a natural home for intuitionistic logic's central ideas was found: Hilbert had detested the school of L. E. J. Brouwer. Existence as 'local' existence in the sheaf theoretic sense, now going by the name of Kripke–Joyal semantics, is a good match. On the other hand Brouwer's long efforts on 'species', as he called the intuitionistic theory of reals, are presumably in some way subsumed and deprived of status beyond the historical. There is a theory of the real numbers in each topos, and so no one master intuitionist theory. The later work on étale cohomology has tended to suggest that the full, general topos theory isn't required. On the other hand, other sites are used, and the Grothendieck topos has taken its place within homological algebra. The Lawvere programme was to write higher order logic in terms of category theory. That this can be done cleanly is shown by the book treatment by Joachim Lambek and P. J. Scott. What results is essentially an intuitionistic (i. e. constructive logic) theory, its content being clarified by the existence of a free topos. That is a set theory, in a broad sense, but also something belonging to the realm of pure syntax. The structure on its sub object classifier is that of a Heyting algebra. To get a more classical set theory one can look at toposes in which it is moreover a Boolean algebra, or specialising even further, at those with just two truth values. In that book, the talk is about constructive mathematics; but in fact this can be read as foundational computer science (which is not mentioned). If one wants to discuss set theoretic operations, such as the formation of the image (range) of a function, a topos is guaranteed to be able to express this, entirely constructively. It also produced a more accessible spin off in pointless topology, where the locale concept isolates some insights found by treating topos as a significant development of topological space. The slogan is 'points come later': this brings discussion full circle on this page. The point of view is written up in Peter Johnstone's Stone Spaces, which has been called by a leader in the field of computer science 'a treatise on extensionality'. The extensional is treated in mathematics as ambient—it is not something about which mathematicians really expect to have a theory. Perhaps this is why topos theory has been treated as an oddity; it goes beyond what the traditionally geometric way of thinking allows. The needs of thoroughly intensional theories such as untyped lambda calculus have been met in denotational semantics. Topos theory has long looked like a possible 'master theory' in this area.
Қорытынды
Топос тұжырымдамасы алгебралық геометрияда категориялық операциялар арқылы қаптар мен жабылу ұғымдарын біріктіру нәтижесінде туындады. Ол кохомология теорияларында белгілі бір маңызды рөл атқарады. Этальдік кохомология – бұл «шешімді қолданба». Логикамен байланысты келесі дамулар көбінесе пәраралық сипатқа ие. Оларға гомотопиялық теорияға негізделген мысалдар (топостарды жіктеу) кіреді. Олар категория теориясы мен математикалық логика арасындағы байланысты, сондай-ақ (жоғары деңгейдегі ұйымдық талқылау ретінде) категория теориясы мен типтер теориясына негізделген теориялық информатика арасындағы байланысты қамтиды. Саундерс Мак Лейннің ұғымдардың кең таралғандығы туралы қалыпты көзқарасын ескере отырып, бұл оларға айқын мәртебе береді. Оливия Карамэлло топосты математикадағы біріктіруші көпір ретінде өз 2017 жылғы кітабында алға тартты.
The topos concept arose in algebraic geometry, as a consequence of combining the concept of sheaf and closure under categorical operations. It plays a certain definite role in cohomology theories. A 'killer application' is étale cohomology. The subsequent developments associated with logic are more interdisciplinary. They include examples drawing on homotopy theory (classifying toposes). They involve links between category theory and mathematical logic, and also (as a high level, organisational discussion) between category theory and theoretical computer science based on type theory. Granted the general view of Saunders Mac Lane about ubiquity of concepts, this gives them a definite status. The use of toposes as unifying bridges in mathematics has been pioneered by Olivia Caramello in her 2017 book.