函子

在範疇論中，函子是範疇間的一類對映。函子也可以解釋為小範疇範疇內的態射。函子首先現身於代數拓撲學，其中拓撲空間的連續對映給出相應的代數物件一詞借自哲學家魯道夫·卡爾納普的用語。卡爾納普使用「函子」這一詞和函式之間的相關來類比謂詞和性質之間的相關。對卡爾納普而言，不同於當代範疇論的用法，函子是個語言學的詞彙。對範疇論者來說，函子則是個特別型別的函式。定義.設"C"和"D"為範疇，從"C"至"D"的函子為一對映formula_1:一個由一範疇對映至其自身的函子稱之為「自函子」。協變與反變.數學中有許多構造具有函子的性質，不同之處在於它們將態射的方向「反轉」。為此，我們定義反變函子formula_10為：使之滿足：注意，反變函子反轉了複合的方向。在此脈絡下，原定義中的函子亦稱之為協變函子，以區分和反變函子之間的不同。也可以將反變函子定義為在對偶範疇formula_20上的「協變」函子。一些作者即較喜好將所有的表示式寫成協變的。亦即，不說formula_21為一反變函子，而簡單寫成formula_22，並稱之為函子。自然變換.兩個函子formula_24間的自然變換是一族態射formula_25使得任何formula_26及態射formula_27均滿足下述交換圖：當formula_28皆為同構時，可以定義此自然變換之逆formula_29，兩者的合成為恆等自然變換。此時稱formula_28為函子formula_31之間的同構。對反變函子也可以類似地定義自然變換。例子.常數函子：將每個物件formula_6對映至一固定物件formula_33中，並將所有態射對映至formula_34中的函子"C" → "D"。常數函子亦之稱為選擇函子。對角函子：對角函子被定義為由"D"至函子範疇"D""C"的函子，將每個在"D"內的物件對映至此物件的常數函子上。極限函子：對一固定的指標範疇，若每個函子"J"→"C"都有個極限之中。冪集合：冪集合函子"P" : Set → Set將每個集合對映至其冪集合，且將每個函式formula_35對映至從formula_36至其值域formula_37的對映。亦可考慮反變冪集合函子，將"f"　對映至從"U"對映至其在"Y"內的逆象。對偶向量空間：此函子將每個向量空間對映至其對偶空間中，並將每個線性對映對映至其對偶對映中，為一個由所有在一固定體上的向量空間所組成的範疇對映至其自身的反變函子。基本群：考慮一個由有點空間所組成的範疇，其物件為對 ("X", "x"0)，其中"X"為一拓樸空間且"x"0為"X"中的一點，由 ("X","x"0)至 ("Y", "y"0)的態射為一連續對映"f" : "X" → "Y"，且滿足"f"("x"0) = "y"0。對每個有可區分點"x"0的拓樸空間"X"，可定義一個基於"x"0上的基本群π1("X", "x"0)。這個一個基於"x"0上的環的同倫類的群。若"f" : "X" → "Y"是一個有點空間的態射，則每個在"X"內，基於點"x"0上的環即可經由"f"得出一個在"Y"內，基於"y"0的環。此一運算和同倫等價關係及環的複合相符，故可得出一個由π("X", "x"0)至π("Y", "y"0)的群同態。因此，即可得出一個由有點拓樸空間範疇至群範疇的函子。在拓樸空間範疇中，可考慮一般曲線的同倫類，但無法複合，除非它們共有一個端點。因此可以有一基本廣群，而無法一定有一基本群。連續函式的代數：一個由拓樸空間的範疇時，定義可以相應地推廣。切叢和餘切叢：將每個微分流形對映至其切叢中且將每個光滑對映對映至其導數中的對映，為一由微分流形的範疇至向量叢的範疇的協變函子。同樣地，將每個微分流形對映至其餘切叢中且將每個光滑對映對映至其回拉的對映，為一反變函子。在每個點上做此建構可以給出由有點微分流分的範疇至實向量空間的範疇的協變及反變函子。群作用/表示：每個群"G"都可以被認為帶有單一個物件的範疇。一個由"G"至Set的函子只是"G"在一特定集合上的群作用，即一個"G"-集合。同樣地，一個由"G"至向量空間範疇Vect"K"的函子會是個"G"的線性表示。一般來說，一個函子"G" → "C"可以被認為是"G"在範疇"C"中的一個物件上的「作用」。李代數：將每個實李代數可定義出一函子。張量積：若"C"為在一固定體上的向量空間的範疇且其態射為線性對映，則張量積formula_39可定義出一個函子"C" × "C" → "C"，其中兩個引數都是協變的。遺忘函子：函子"U" : Grp → Set將群對映至其源集合且將群同態對映至其源函式。此類的函子會「遺忘」部份的結構，因此稱之為「遺忘函子」。另一個例子為函子Rng → Ab，其將環對映至其源加法阿貝爾群中。在Rng中的態射。其他如體、模、拓樸空間等基於集合的結構也可以取其遺忘函子。自由函子：遺忘函子的反向即為自由函子。自由函子"F" : Set → Grp將每個集合"X"對映至由"X"產生的自由群，函式則對映至自由群間的群同態。自由函子的建構可存在於許多基於由集合的結構的範疇。詳見自由物件。同態群：對每一對群"A"、"B"，皆可得出一個由所有從"A"至"B"的群同態所組成的阿貝爾群Hom("A","B")。這是一個其第一個引數為反變，第二個引數為協變的函子，即為一函子Abop × Ab → Ab。若"f" : "A"1 → "A"2且"g" : "B"1 → "B"2為兩個在Ab中的態射，則群同態Hom("f","g") : Hom("A"2,"B"1) → Hom("A"1,"B"2)以φ formula_40 "g" o φ o "f"來給定。詳見同態函子。表示函子：可將上述例子廣義化至任一範疇"C"中。即對每一對在"C"中的物件"X"、"Y"，可得出一個由從"X"至"Y"的所有態射所組成的集合Hom("X","Y")。這會定義出一個對映至Set，且其第一個引數為反變，第二個引數為協變的函子，即一函子"C"op × "C" → Set。若"f" : "X"1 → "X"2且"g" : "Y"1 → "Y"2為"C"中的態射，則其群同態Hom("f","g") : Hom("X"2,"Y"1) → Hom("X"1,"Y"2)以φ formula_40 "g" o φ o "f"來給定。此類函子即稱之為表示函子。建構出此函子的一個重要目的在於決定一給定函子是否為可表示的。預層：若"X"為一拓撲空間，則在"X"上的開集會形成一個在包括下的偏序集合Open("X")。如同每個偏序開集一般，Open("X")會形成一個小範疇，帶有態射"U" → "V"若且唯若formula_42時。在Open("X")上的反變函子稱之為在"X"上的「預層」。例如，將每個開集"U"賦值至在"U"上的實變連續函式的結合代數，即可得到一個在"X"上的代數的頂層。性質.從函子的公理中可得出兩個重要的推論：若函子formula_1滿足formula_44為同構若且唯若formula_45為同構，則稱之為保守函子。在任意範疇"C"上，可定義一個單位函子1"C"，其將每個物件和態射對映至其自身。也可以將函子複合，即若"F"為一由"A"至"B"的函子且"G"為一由"B"至"C"的函子，則可組成一個由"A"至"C"的複合函子。函子的複合依定義是可結合的。這顯示函子可以被認為是範疇的範疇中的態射。一個只具單一物件的小範疇等同於一個麼半群，此一單一物件範疇的態射可被視為是麼半群中的元素，且其在範疇中的複合則可以視為是麼半群中的運算。此時這類範疇間的函子無非是麼半群間的同態。在此意義下，任意範疇間的函子可被視為是麼半群同態至多於一個物件的範疇的一種廣義化。雙函子與多函子.雙函子是函子概念在「雙變元」時的推廣。形式的定義則定義在兩個範疇的積上的函子formula_46。函子formula_47是一個自然的例子，它對第一個變元反變，對第二個變元協變。雙函子是有「兩個」引數的函子。同態函子即為一個例子；其第一個引數為反變的，第二個引數則為協變的。形式上來說，雙函子是一個其定義域為積範疇的函子。例子，同態函子即為"C"op × "C" → Set。多函子是將函子的概念廣義化至"n"個引數。而雙函子當然是一個"n"=2的多函子。與其他範疇論概念的關係.函子本身亦可視為函子範疇中的物件，該範疇中的態射是函子間的自然變換。近來有以「函子的態射」取代術語「自然變換」的趨勢。函子也經常以泛性質定義，例子包括了張量積，模或群的直和、直積，自由群與自由模的構造；許多構造可以統合於正極限與逆極限的概念下。泛建構也往往給出一對伴隨函子。