Кіріспе

Математикада еркін нысан идеясы абстрактілік алгебраның негізгі ұғымдарының бірі болып табылады. Формальды емес айтқанда, A жиынының үстіндегі еркін нысан A жиынының үстіндегі "көп мағыналы" алгебралық құрылым ретінде қарастырылуы мүмкін: еркін нысан элементтері арасындағы жалғыз ғана теңдеулер – алгебралық құрылымды анықтайтын аксиомалардан туындайтын теңдеулер болып табылады. Мысалдарға еркін топтар, тензорлық алгебралар немесе еркін торлар жатады. Бұл ұғым жалпы алгебраның бір бөлігі болып табылады, себебі ол алгебралық құрылымның барлық түрлеріне (шекті операциялармен) қатысты. Оның категориялық теория тұрғысынан да сипаттамасы бар, бірақ бұл одан да абстрактілі.

Анықтама

Еркін нысандар – векторлық кеңістіктегі негіз ұғымының категорияларға тікелей жалпыламасы. Векторлық кеңістіктер арасындағы сызықтық функция u: E1 → E2, E1 векторлық кеңістігінің негізіндегі мәндерімен толық анықталады. Келесі анықтама осыны кез келген санатқа аударады. Нақты категория – бұл жиындарға, яғни жиындар санатына адал функтормен жабдықталған категория. “C” – U: “C” → “Жиын” адал функторы бар нақты категория болсын. X – анықталатын еркін нысанның негізі болатын жиын (яғни, “Жиын” санатындағы объект) болсын. X-тегі еркін нысан – бұл “C” санатындағы нысан мен инъекциядан (канондық инъекция деп аталады) тұратын жұп, ол келесі әмбебап қасиетті қанағаттандырады: “C” санатындағы кез келген B объектісі және жиындар арасындағы кез келген көрініс үшін “C” санатында бірегей морфизм бар, яғни келесі диаграмма коммутативті: Егер “C” санатында еркін нысандар болса, әмбебап қасиет екі жиын арасындағы кез келген көрініс оларға құрылған еркін нысандар арасындағы бірегей морфизмді тудырады, және бұл функторды анықтайды. Одан кейін, егер “C” санатында еркін нысандар болса, F функторы, еркін функтор деп аталатын, адал функтор U-ге сол жақтан қосымша болады; яғни, біртіндеме сәйкестік бар.

Мысалдар

Тегін нысандарды жасау екі қадаммен жүзеге асады. Ассоциативтік заңға сәйкес келетін алгебралар үшін бірінші қадам – әліпбиден құралған барлық мүмкін сөздер жинағын қарастыру. Содан кейін сөздерге эквиваленттік қатынастар жиынтығы қолданылады, мұнда қатынастар қолдағы алгебралық объектіні анықтайтын қатынастар болып табылады. Тегін нысан сол кезде эквиваленттік сыныптар жиынтығынан тұрады. Мысалы, екі генератордағы тегін топты құруды қарастырайық. Бірінші қадамда "әріптерге" немесе "символдарға" әлі ешқандай мағына берілмейді, олар кейін екінші қадамда беріледі. Осылайша, бес әріптен тұратын әліпбимен бастауға болады, яғни . Бұл мысалда барлық сөздер немесе тізбектер жиынтығына aebecede және abdc сияқты, кез келген шекті ұзындықтағы тізбектер кіреді, әріптер барлық мүмкін тәртіппен орналасқан. Келесі қадамда эквиваленттік қатынастар жиынтығы қолданылады. Топ үшін эквиваленттік қатынастар – сәйкестікпен көбейту, және кері шамалардың көбейтуі: Бұл қатынастарды жоғарыдағы тізбектерге қолдану арқылы, және егер сәйкестік элементі болып табылатын болса, үшін тұратыны түсініледі. Сол сияқты, . Эквіваленттік қатынасты немесе конгруэнттілікті арнайы белгілеп, тегін нысан – сөздердің эквиваленттік сыныптарының жиынтығы болады. Осылайша, бұл мысалда екі генератордағы тегін топ – бұл квотиент. Бұл көбінесе барлық сөздер жиынтығы және топты анықтайтын қатынастар қолданылғаннан кейін сәйкестіктің эквиваленттік класы ретінде жазылады. Жағымды мысал – тегін моноидтар. X жиынындағы тегін моноид – X әліпби ретінде пайдаланылатын барлық шекті тізбектердің моноиды, тізбектерді біріктіру операциясымен. Сәйкестік – бос тізбе. Негізінде, тегін моноид – бұл эквиваленттік қатынастар қолданылмаған барлық сөздер жиынтығы. Бұл мысал Клейн жұлдызы туралы мақалада толығырақ қарастырылады.

Жалпы жағдай

Жалпы жағдайда алгебралық қатынастар ассоциативті болуы міндетті емес, онда бастапқы нүкте барлық сөздердің жиынтығы емес, керісінше, әріптердің ассоциативті емес топтамаларын көрсету үшін қолданылатын жақшалармен бөлінген тізбектер болады. Мұндай тізбекті эквивалентті түрде екілік ағаш немесе еркін магма арқылы бейнелеуге болады; ағаш жапырақтары – әліпбидегі әріптер. Алгебралық қатынастар ағаш жапырақтарындағы кез келген арит немесе шекті қатынастар болуы мүмкін. Барлық мүмкін жақшаланған тізбектер жиынынан бастаудың орнына, Гербранд ғаламынан бастау ыңғайлырақ болуы мүмкін. Еркін нысанның мазмұнын дұрыс сипаттау немесе санау, нақты алгебралық нысанға байланысты оңай немесе қиын болуы мүмкін. Мысалы, екі генератордағы еркін топты оңай сипаттауға болады. Керісінше, бір генератордан астам генератордағы еркін Хейтинг алгебраларының құрылымы туралы көбінесе ештеңе белгісіз. Екі түрлі тізбектің бірдей эквиваленттік кластың мүшесі болатынын анықтау мәселесі сөз мәселесі деп аталады. Мысалдар көрсеткендей, еркін нысандар синтаксистік құрылымдарға ұқсайды; синтаксистің маңызды қолданылуын еркін нысандар ретінде түсіндіруге және сипаттауға болады, осылайша көрінетін ауыр "пунктуацияны" түсіндіруге және жақсы есте сақтауға болады.

Еркін әмбебап алгебралар

Кез келген жиынтық болсын, және түріндегі алгебралық құрылым генераторлар жиынымен анықталсын. Осы алгебралық құрылымның негізгі жиыны, кейде оның ғаламшары деп аталады, болсын, ал функциясы болсын. Біз оны (немесе бейресми түрде ғана) генераторлар жиынындағы түріндегі еркін алгебра деп атаймыз, егер кез келген түріндегі алгебра және кез келген функция үшін, мұндағы ғаламшары болса, бірегей гомоморфизм бар болса, онда:

Еркін функтор

Еркін объектіні қарастырудың ең жалпы жағдайы – категориялар теориясы, онда функтор, яғни еркін функтор, ұмыту функторының сол жақ қосымшасы ретінде анықталады. Алгебралық құрылымдардың C категориясын қарастырайық; объектілерді жиындар мен операциялар ретінде қарастыруға болады, олар кейбір заңдарға бағынады. Бұл категорияда , ұмыту функторы бар, ол C категориясындағы объектілер мен функцияларды жиындар категориясына (Set) бейнелейді. Ұмыту функторы өте қарапайым: ол барлық операцияларды ескермейді. F еркін функторы, егер ол болса, U-дың сол жақ қосымшасы болып табылады. Яғни, ол жиындарды X (Set) қабылдап, C категориясындағы оларға сәйкес еркін объектілерге F(X) бейнелейді. X жиыны F(X) еркін объектісінің "генераторлары" жиыны ретінде қарастырылуы мүмкін. Еркін функтордың сол жақ қосымша болуы үшін, сонымен қатар, жиындардың морфизмі болуы керек. Нақтырақ айтқанда, F, C категориясындағы изоморфизмдерге дейін, келесідей жалпы қасиетпен сипатталады: Егер B – C категориясындағы алгебра болса, ал – функция (жиындар категориясындағы морфизм) болса, онда бірегей C морфизмі бар, осындай
Жалпы айтқанда, бұл жиынтықты сол жиынтықтағы еркін объектіге жібереді; бұл "негізді қосу". Белгіні шатастыруға жол берсек, (мұнда X жиын, ал F(X) алгебра болғандықтан, дұрысы ). Табиғи түрлендіру бірлік деп аталады; бірлікпен бірге T алгебрасын, соның ішінде монадты құруға болады. Коэркін функтор ұмыту функторының оң жақ қосымшасы болып табылады.

Жалпы жағдай

Басқа түрдегі ұмыту да еркін нысандарға ұқсас нысандарды тудырады, олар жиынтарға міндетті түрде емес, ұмыту функторына солдан жалғасқан болып табылады. Мысалы, векторлық кеңістіктегі тензорлық алгебра құрастыруы, алгебра құрылымын ескермейтін ассоциативтік алгебраларға қатысты функтордың сол жақ жалғауы болып табылады. Сондықтан оны көбінесе еркін алгебра деп атайды. Сол сияқты симметриялық алгебра және сыртқы алгебра векторлық кеңістіктегі еркін симметриялық және антисимметриялық алгебралар болып табылады.