Zoran Skoda hom12 abelove kategorije

(lekcija je razdijeljena na dijelove: hom12 aditivne kategorije je prvi dio)

Usporedi nnLab additive and abelian categories, monomorphism, kernel, cokernel, zero object, abelian category, image, coimage.

Osnovna kategorijska terminologija je u lekciji lecsCatCh0.

Jezgre i kojezgre

Definicija jezgre ima smisla u kategoriji s inicijalnim objektom ∅\emptyset kao povlak (pullback)

Ker(f) → ∅ kerf↓ ↓ M →f N, \array{ Ker(f) &\to& \emptyset \\ {}^{ker f}\downarrow && \downarrow \\ M &\stackrel{f}{\to}& N },

kad taj povlak postoji. Dualno, u kategoriji s terminalnim objektom 11, kojezgra morfizma f:M→Nf : M \to N je istisak (pushout) coker(f)coker(f) u

M →f N ↓ ↓ coker(f) 1 → Coker(f) \array{ M &\stackrel{f}{\to}& N \\ \downarrow && \downarrow^{coker(f)} \\ 1 &\to& Coker(f) }

Sjetimo se da je morfizam m:x→ym:x\to y u CC mono(morfizam) ako za svaki parelelni par morfizama g 1,g 2:z→xg_1,g_2:z\to x, m∘g 1=m∘g 2m\circ g_1=m\circ g_2 povlači g 1=g 2g_1=g_2; drugim riječima, Yonedom inducirana prirodna transformacija f∘=Hom(−,m):Hom(−,x)→Hom(−,y)f\circ = Hom(-,m):Hom(-,x)\to Hom(-,y) ima injektivne komponente Hom(z,m):Hom(z,x)→Hom(z,y)Hom(z,m):Hom(z,x)\to Hom(z,y), k↦m∘kk\mapsto m\circ k. Slično morfizam e:x→ye:x\to y je epi(morfizam) ako za svaki paralelni par morfizama h 1,h 2:y→zh_1,h_2:y\to z, h 1∘e=h 2∘eh_1\circ e = h_2\circ e povlači h 1,h 2h_1,h_2, tj. e ope^{op} u suprotnoj kategoriji C opC^{op} je mono. To nije ekvivalentno tvrdnji da su sve komponente od Hom(−,e)Hom(-,e) surjektivne, (u principu zato jer HomHom nije desno egzaktan, ne čuva dakle kolimese niti epimorfizme).

(Jezgre kao ujednačitelji) Ako kategorija CC ima nulobjekt 0=∅0=\emptyset, tada je, po definiciji jezgre i nulmorfizma, f∘kerf=0=0∘kerff\circ ker f = 0 = 0\circ ker f, dakle kerfker f ujednačuje ff 00; ako za neki h:Z→Mh:Z\to M vrijedi f∘h=0f\circ h = 0 tada po univerzalnom svojstvu povlaka za kerfker f postoji u:Z→Kerfu:Z\to Ker f tako da v∘kerf=hv\circ ker f = h. Dakle, kerfker f je ujednačitelj od ff i 00. Možemo, dakle, kratko reći kao u kategoriji modula, da je kerfker f morfizam takav da f∘kerf=0f\circ ker f = 0 i koji je univerzalni terminalni među svim takvim objektima. Slično je, u kategoriji s nulobjektom, kojezgra morfizma ff koujednačitelj of ff i 00, te univerzalni inicijalni među svim morfizmima hh za koje vrijedi h∘f=0h\circ f = 0.

Propozicija. Svaki ujednačitelj je mono, pa tako i jezgra morfizma u kategoriji s nulobjektom. Dualno, svaki je koujednačitelj epi, pa tako i kojezgra morfizma u kategoriji s nulobjektom.

Dokaz. Neka je ee ujednačitelj para f 1,f 2f_1,f_2, i neka je g 1,g 2g_1,g_2 paralelni par takav da su kompozicije e∘g 1=e∘g 2e\circ g_1 = e\circ g_2 definirane i jednake. Tada f 1∘(e∘g 1)=f 2∘(e∘g 1)f_1\circ (e\circ g_1) = f_2\circ (e\circ g_1). Dakle e∘g 1e\circ g_1 ujednačuje f 1f_1 i f 2f_2. Po univerzalnom svojstvu ujednačitelja ee to znači da postoji jedinstveni morfizam gg tako da je e∘g=e∘g 1e\circ g = e\circ g_1 i vrijedi f 1∘(e∘g)=f 2∘(e∘g)f_1\circ (e\circ g) = f_2\circ (e\circ g). Međutim, to vrijedi i za g=g 2g = g_2. Dakle g=g 1=g 2g = g_1 = g_2, tj. ee je mono.

(Jezgra kao podobjekt) Svojstvo jezgre je univerzalno, pa je prestavnik jezgre jedinstven samo do na izomorfizam. Točnije ako je morfizam k:K→Mk:K\to M jezgra od f:M→Nf:M\to N, te h:K′→Kh:K'\to K izomorfizam, tada i k∘h:K′→Mk\circ h:K'\to M zadovoljava definiciju jezgre. Kategorija kriški nad objektom NN ima kao jednu potkategoriju kategoriju monomorfizama s kodomenom NN, u kojoj su morfizmi komutativni trokuti monomorfizama. Izomorfni objekti u toj kategoriji zovu se podobjekti; dakle podobjekt je klasa ekvivalentnih monomorfizama, gdje je k∼k′k\sim k' ako postoji izo hh takav da je k′=h∘kk'=h\circ k. Dakle, ako želimo izbjeć proizvoljnost, u kategoriji s nulobjektom, definiramo jezgru kao klasu ekvivalentnih monomorfizama, svaki od kojih zadovoljava univerzalno svojstvo jezgre. Takva jezgra je dakle klasa monomorfizama, koja može biti prazna (ako ne postoji). Tada je precizno pisati k∈kerfk\in ker f, a uobičajena notacija k=kerfk=ker f je neprecizna “skraćenica” istog izraza. Slično gledamo kojezgru kao klasu ekvivalencije (s obzirom na postkompoziciju s izomorfizmima) epimorfizama; dualno podobjektu tu klasu gledamo kao kvocijentni objekt.

Propozicija. U kategoriji s nulobjektom,

(i) ako je mm monomorfizam i m∘fm\circ f definirano, tada je Ker(m∘f)=KerfKer(m\circ f) = Ker f;

(ii) dualno, ako je ee epimorfizam, onda je Coker(f∘e)=CokerfCoker(f\circ e)=Coker f

Dokaz (i). mfker(mf)=0=m0m f ker(m f) = 0 = m 0, pa kako je mm mono, to fker(mf)=0f ker(m f)= 0. Dakle ker(mf)ker(m f) ujednačuje ff i 00. Moramo pokazati da je univerzalni konus, tj. terminalni među svim morfizmima koji ujednačuju ff i 00. Dakle, neka je hh takav morfizam, tj. mfh=0=m0m f h = 0 = m 0. Kako je mm mono, slijedi fh=0f h = 0. ZAVRŠI

Propozicija. Ako je f:M→Nf:M\to N ujednačitelj nekog para g 1,h 1g_1,h_1 u kategoriji s istiscima (pushouts), onda je ono ujednačitelj svog “kojezgrinog para” tj. para morfizama g,h:N→Pg,h:N\to P takvih da je

M →f N f↓ ↓ g N →h P \array{ M &\stackrel{f}\to& N \\ {}^{f}\downarrow && \downarrow^g \\ N &\stackrel{h}{\to}& P }

kokartezijev tj. istisak (pushout). Dualno je svako kojezgro zapravo ujednačitelj svoj jezgrinog para, tj. para morfizama g′,h′:R→Mg',h':R\to M koji čine (R,g′,h′)(R,g',h') povlakom (pullback) od ff uzduž ff (vidi kernel pair).

Dokaz. Kokartezijev kvadrat je svakako komutativan pa vrijedi g∘e=h∘eg\circ e = h\circ e. Neka je kk proizvoljni morfizam koji ujednačuje gg i hh , tj. g∘k=h∘kg\circ k = h\circ k. Po pretpostavci propozicije, g 1∘e=h 1∘eg_1\circ e = h_1\circ e, pa, po univerzalnosti istiska, postoji jedinstveni uu takav da u∘g=g 1u\circ g = g_1 i u∘h=h 1u\circ h = h_1. Dakle g 1∘k=u∘g∘k=u∘h∘k=h 1∘kg_1\circ k = u \circ g\circ k = u\circ h\circ k = h_1\circ k. Po univerzalnom svojstvu ujednačitelja ee od g 1g_1 i h 1h_1 slijedi da postoji jedinstveni vv takav da je e∘v=ke\circ v = k. Kako smo to pokazali za svak kk koji ujednačuje gg i hh, to je ee ujednačitelj od gg i hh kako je traženo.

Predabelove kategorije

Predabelova kategorija (ili, prema Grothendieckovom Tohoku, (AB1)-kategorija) je aditivna kategorija u kojoj svaki morfizam ima jezgru i kojezgru. Kako u predaditivnoj kategoriji postoji nulobjekt, jezgru možemo definirati kao na početku lekcije gore. S druge strane, u AbAb-kategorijama postoji alternativna definicija jezgre i kojezgre, koja je u svakoj predaditivnoj kategoriji 𝒜\mathcal{A} ekvivalentna gornjoj definiciji. Naime, za f:x→yf:x\to y, najprije se definira kontravarijantni funktor kerf:𝒜 op→Abker f: \mathcal{A}^{op}\to Ab kao podfunktor reprezentabilnog funktora h x=Hom 𝒜(−,x)h_x = Hom_{\mathcal{A}}(-,x) koji je na objektima zadan s

(kerf)(z)=ker(h x(z)→g↦g∘fh y(z))⊂h x(z) (ker f)(z) = ker(h_x(z)\stackrel{g\mapsto g\circ f}\rightarrow h_y(z)) \subset h_x(z)

Objekt jezgre KerfKer f se definira kao objekt koji reprezentira funktor kerfker f, ako postoji. Čitatelj bi za vježbu trebao pokazati da ako KerfKer f u pred-aditivnoj kategoriji postoji, tada je KerfKer f vrh ujednačitelja oblika

gdje smo pripadni morfizam također označili s kerfker f. Dualno, definiramo funktor cokerfcoker f kao (kerf op) op(ker f^{op})^{op} i objekt kojezgre Cokerf𝒜 op→AbCoker f\mathcal{A}^{op} \to Ab kao objekt koji ga reprezentira, ako takav objekt postoji.

Naivna definicija funktora kojezgre kao

coker(h x(z)→g↦g∘fh y(z))⊂h y(z) coker(h_x(z)\stackrel{g\mapsto g\circ f}\rightarrow h_y(z)) \subset h_y(z)

nije dobra. Naime, već u slučaju kategorije Abelovih grupa se ne podudara s običnom kojezgrom, tj. y/Im(f)y/Im(f) odnosno s koujednačiteljem od ff i 00. Razlog da se definicija za KerfKer f ponaša dobro, a definicija za CokerfCoker f ne ponaša je da je kerfker f vrsta limesa, cokerfcoker f vrsta kolimesa, a Yonedino ulaganje komutira s limesima (lijeva egzaktnost), a ne mora komutirati s kolimesima.

Niz od dva morfizma ⟶a⟶b\stackrel{a}\longrightarrow\stackrel{b}\longrightarrow u aditivnoj kategoriji ćemo zvati kratki egzaktni niz ako je b∈cokerab\in coker a i a∈kerba\in ker b.

Abelove kategorije

Predabelova kategorija 𝒜\mathcal{A} je Abelova (ili, prema Grothendieckovom Tohoku, (AB2)-kategorija) ako je za svaki morfizam f:M→Nf:M\to N kanonski morfizam Coker(kerf)→Ker(cokerf)Coker(ker f)\to Ker(coker f) (dobiven po svojstvima univerzalnosti) iz kojezgre Coker(kerf)Coker(ker f) jezgre kerf:Kerf→Mker f : Ker f\to M u jezgru Ker(cokerf)Ker(coker f) kojezgre cokerf:N→Cokerfcoker f: N\to Coker f izomorfizam.

U dijagramatskom prikazu možemo dakle reći da je Abelova kategorija upravo takva aditivna kategorija u kojoj za svaki morfizam f:M→Nf:M\to N postoji niz morfizama

Kerf⟶kerfM⟶iI⟶jN⟶cokerfCokerf Ker f\stackrel{ker f}\longrightarrow M\stackrel{i}\longrightarrow I \stackrel{j}\longrightarrow N\stackrel{coker f}\longrightarrow Coker f

u kojem je j∘i=fj\circ i = f, i:M→Ii:M\to I je kojezgro od kerfker f i j:I→Nj:I\to N je jezgro od cokerfcoker f. Katkad se govori o kanonskoj analizi morfizma ff u Abelovoj kategoriji.

U predabelovoj kategoriji imamo lijevi i desni dio tog niza, naime Kerf⟶kerfM⟶iIKer f\stackrel{ker f}\longrightarrow M\stackrel{i}\longrightarrow I i J⟶jN⟶cokerfCokerfJ\stackrel{j}\longrightarrow N\stackrel{coker f}\longrightarrow Coker f te, po univerzalnim svojstvima, i morfizam l:I→Jl:I\to J takav da je f=j∘l∘if = j\circ l\circ i; tada slijedi da Kerl=Cokerl=0Ker l = Coker l = 0, tj. ll je i epimorfizam i monomorfizam. Međutim proizvoljna predabelova kategorija nije nužno balansirana, tj. epimorfizam koji je ujedno monomorfizam nije nužno izomorfizam (tj. nema nužno inverz). Predabelova kategorija je abelova onda i samo onda ako je balansirana, što implicira ovdje da je ll izomorfizam.

Notacija II u kanonskoj analizi morfizma sugerira engleski “image”. Sjetimo se, naime, da je kod vektorskih prostora kojezgra N/ImfN/Im f, ili ekvivalentno Imf≅N/Cokerf≅Ker(cokerf)Im f\cong N/Coker f\cong Ker(coker f). Slično je koslika Coimf=Coker(kerf)Coim f = Coker(ker f), pa je uvjet abelovosti zapravo uvjet da je kanonski morfizam iz koslike u sliku preslikavanja izomorfizam. Tako ćemo u predabelovoj kategoriji definirati ImfIm f kao Ker(cokerf)Ker(coker f) i CoimfCoim f kao Coker(kerf)Coker(ker f). U gornjem razlaganju cokerf∘j∘i∘kerfcoker f\circ j\circ i\circ ker f, j=coimfj= coim f i i=imfi = im f su pripadni morfizmi slike i koslike.
Slika ima univerzalno svojstvo slike tj. ff se razlaže u kompoziciju M⟶eImf↪mNM\stackrel{e}\longrightarrow Im f\stackrel{m}\hookrightarrow N gdje je mm monomorfizam, pri čemu je taj monomorfizam maksimalan, tj. svako drugo takvo razlaganje f=m′∘e′f = m'\circ e' u kojem je m′:I′↪Nm':I'\hookrightarrow N mono, postoji jedinstveni monomorfizam k:Imf→I′k:Im f\to I' takav da je m′∘k=mm'\circ k = m. Dualno, univerzalno svojstvo koslike kaže da se ff razlaže u kompoziciju M⟶e˜Imf⟶m˜NM\stackrel{\tilde{e}}\longrightarrow Im f\stackrel{\tilde{m}}\longrightarrow N, gdje je ee epimorfizam koji je maksimalan u smislu da za svako drugo takvo razlaganje f=m˜′∘e˜′f = \tilde{m}'\circ \tilde{e}' u kojem je e˜′:M↪J′\tilde{e}':M\hookrightarrow J' epi, postoji jedinstveni morfizam k˜\tilde{k} takav da k˜∘e˜′=e˜\tilde{k}\circ \tilde{e}' = \tilde{e}. Usporedi image.

Propozicija. Kanonska analiza morfizma f:M→Bf:M\to B u aditivnoj kategoriji 𝒜\mathcal{A}, ako postoji, ekvivalentna je slijedećoj analizi morfizma:

K⟶kM⟶iI⟶jN⟶cC K\stackrel{k}\longrightarrow M\stackrel{i}\longrightarrow I \stackrel{j}\longrightarrow N\stackrel{c}\longrightarrow C

u kojem je j∘i=fj\circ i = f, i∈cokerki\in coker k, k∈kerik\in ker i, j∈kercj\in ker c, c∈cokerjc\in coker j.

Propozicija. Predabelova kategorija je Abelova akko je svaki njen monomorfizam jezgro nekog morfizma i svaki njen epimorfizam kojezgro nekog morfizma. (Obrat vrijedi uvijek: jezgro je ujednačitelj, a svaki svaki ujednačitelj je mono.)

Propozicija. Predabelova kategorija je Abelova akko vrijede ova dva aksioma

(i) za svaki mono mm i svaki epi ee, vrijedi m∈kerem\in ker e onda i samo onda kada e∈kerme\in ker m

(ii) svaki morfizam ff se može napisati kao kompozicija f=k∘sf=k\circ s gdje je kk mono, a ss epi

Primjeri Abelovih kategorija

Primjeri Abelovih kategorija: kategorija abelovih grupa, kategorija modula nad fiksnim prstenom (asocijativnim, ne nužno komutativnim, može čak i bez jedinice), kategorija konačno dimenzionalnih vektorskih prostora nad tijelom, kategorija svih vektorskih prostora nad fiksnim tijelom, kategorija Qcoh XQcoh_X kvazikoherentnih snopova 𝒪\mathcal{O}-modula nad algebarskom shemom (X,𝒪 X)(X,\mathcal{O}_X), kategorija ℛMod{}_{\mathcal{R}}Mod predsnopova (snopova) ℛ\mathcal{R}-modula gdje je ℛ\mathcal{R} predsnop (snop) (asocijativnih unitalnih) prstena na topološkom prostoru.

Neprimjer: kategorija konačno-dimenzionalnih realnih vektorskih svežnjeva Vec XVec_X na topološkom prostoru XX je aditivna kategorija, no tipično nije Abelova kategorija jer jezgre i kojezgre ne moraju nužno postojati (problem je da je dimenzija jezgre i kojezgre vlakno po vlakno samo poluneprekidna funkcija). Analogni pojam vektorskih svežnjeva se može gledati i na shemi (X,𝒪 X)(X,\mathcal{O}_X) kao kategorija lokalno slobodnih snopova 𝒪 X\mathcal{O}_X-modula konstantnog konačnog ranga. Tada najmanja podkategorija kategorije kvazikoherentnih snopova 𝒪 X\mathcal{O}_X modula koja sadrži lokalno slobodne 𝒪 X\mathcal{O}_X-modula konstantnog konačnog ranga je tzv. kategorija koherentnih snopova 𝒪 X\mathcal{O}_X-modula Coh XCoh_X.

Detaljnije o Abelovim kategorijama snopova će biti u (još nenapisanoj) lekciji hom12 abelove kategorije snopova?. O egzaktnim nizovima u abelovim kategorijama napisat ću lekciju hom12 homološka algebra u abelovim kategorijama?.

Last revised on September 9, 2019 at 15:44:59. See the history of this page for a list of all contributions to it.