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.

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.

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.

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.