随伴関手

数学の特に圏論における随伴（ずいはん、）とは、二つの関手の間の（ある種の双対的な）関係のことである（随伴関係にある関手を持つ関手もあれば、持たない関手もある）。直感的に言えば、二つの相互に関連する圏の間に認められる、弱い同値的な関係のことである。この関係を表す関手のペアを随伴関手と呼び、片方を左随伴、もう片方を右随伴と呼ぶ。随伴の概念・随伴関手のペアは数学に遍在し、最適化や効率に関する直観的概念を明らかにし、また、ある種の数学的問題の"解決法の最適化"を行う過程で見出される(代数における集合上の自由群の構成や、位相空間におけるStone–Čech compactification()の構成などがその例である。
圏 formula_1 と formula_2 の間の随伴とは、二つの関手
の対であって、圏 formula_1 の任意の対象 、圏 formula_2 の任意の対象 に対して、集合の全単射
が存在して、これが と について自然となるものを言う。このとき、関手 を左随伴函手と呼び、他方 を右随伴函手と呼ぶ。また、「 は の左随伴である」 (同じことだが、「 は の右随伴である」)という関係を
と書く。
導入.
この記事のたくさんの例ではよい数学的構造の多くが随伴関手であることを少しだけ紹介する。
このことは、左(右)随伴関手に関する一般的な定理、たとえば色々な定義のしかたの同値性や余極限(極限)を保存するという定理(このことは数学の全ての分野で見つかる)から、多くの役に立つ・非自明な結果を導くことが出来る。
綴り.
"adjunct"と"adjunction"と"adjoint"というように、二つの異なる語根が使われる(例えば、この記事の英語版)。Oxford shorter English dictionaryによると、"adjunct"はラテン語由来であり、"adjoint"はフランス語由来である。
Mac Lane 著 Categories for the working mathematician 第4章 "Adjoints" においては、次のように使われているのが確認できる。
(FY,X) \cong \operatorname{hom}_{\mathcal{D}}(Y,GX)</math>
The hom-set bijection formula_8 is an "adjunction".
If formula_9 an arrow in formula_10, formula_11 is the right "adjunct" of formula_9 (p. 81).
The functor formula_13 is left "adjoint" for formula_14.
動機.
最適化問題の解として.
随伴関手は各種の問題に"決まりきった"方法を使って"もっとも効率的な"解を与える方法といえる。たとえば、環論の初等的な問題として、非単位的環を環に変える問題がある。
"もっとも効率的に"行うには、'1'を追加し、環の公理で要求されている元(環の各元"r"に対する"r"+1等)を全て(そして最小限を)追加し、公理が要求する以上の関係は持たない新しい環を構成すればよい。さらに、この構成方法は本質的にはどの非単位的環についても同じやりかたになる。
曖昧にして示唆的であるが、圏論の言語によって次のように簡潔に表現できる。
ここで、普遍的であるということには「始」普遍的と「終」普遍的の2つの種類があり、これらは双対であるので、片方のみについて考えるだけで十分である。
「始」の場合の普遍性とは、問題を記述できる圏"E"を準備して、構成したいものが"E"の始対象になるようにすることである。この方法の利点は、上限を求めることと同様に、"最適化"(ここでは、"もっとも効率的な"解を見つけること)が正確な結果を与え、認識しやすいことにある。正しい"E"を選ぶには少しこつがいる。たとえば、単位的でない環"R"があった場合に、圏"E"の対象は非単位的環の準同型 "R" → "S" であって、"S"が乗法的単位元をもつものであるする。対象 "R" → "S1" と 対象"R" → "S2" の間の射は三角可換図式("R" → "S1","R" → "S2", "S1" → "S2")のうち、S1 → S2 が単位元を保存する環の準同型になっているとする。対象 "R" → "S1" と 対象"R" → "S2" の間に射が存在するということは、"S1" は少なくとも "S2" よりも"より効率的な"解であることを示している。すなわち、"S2" は "S1" よりも多くの元を持っていたり、公理にない関係を満たすことが可能である。よって、"R" → "R*" が "E" の始対象であるということは、始対象からは"E" の他のどの対象へも射が存在するということから、"R*" は"もっとも効率的な"解であることがいえる。
非単位的環を環に変えるこの方法が"もっとも効率的"で"決まりきった"方法であるということを、この方法が"随伴関手"を定めていると一言で表現することができる。
最適化問題の逆.
次に、関手"F"から"始めた"場合では「"F"がもっとも効率的な解となる問題は存在するのか？」という(曖昧な)質問が可能である。
"F"が"G"問題の"もっとも効率的な解"であるということは、ある意味では正確に、"G"が"F"が解となる"もっとも難しい問題"であることと同値となる。
これが随伴関手が対となって現れることの直観的な解釈であり、実際これは正しいが、普遍射を使った定義では自明ではない。随伴関手を用いた対称形の随伴の定義("F"は"G"の左随伴であると言ってもよいし、"G"は"F"の右随伴であると言ってもよい)を使うことで、このことが明示的になるという利点がある。
形式的な定義.
随伴関手の定義はさまざまな方法がある。これらの同値性は基本的な事実であるが自明ではないため非常に有用である。この記事ではいくつかの定義を与える。
随伴関手は数学の全ての分野に現れる。これらの定義が持つ構造を他の定義が持つ構造に持ち上げるためには長いが明らかな証明が必要であり、このことが随伴を完全に有用なものにしている。随伴の各定義を行き交うことは、各分野で繰り返し行われてきた退屈な部分を暗黙に使っていることになる。例えばcounitが終対象であり自然であることから全ての右随伴関手が極限を保存することを証明できる。
記法の約束.
随伴の理論は基礎付けに「左」と「右」という言葉を用い、また考えるべき二つの圏 と の中にはたくさんの構成要素が存在している。そこで、「左」の圏 からとったのか「右」の圏 から取ったのかを、この左、右の順で付ける文字がアルファベット順となるようにし、またできうる限りこの順で書き下すようにすると非常に便利である。
この記事では例えば、"X"、"F"、"f"、"ε" は圏"C"から、"Y"、"G"、"g"、"η" は圏"D"から取ってくるものとする。そして、可能な場合は、この順で左から右に使うもとのする(例えば、関手 "F":"C"←"D" は"C"から取ってきたものと考える)
普遍射による定義.
関手 "F" : "C" ← "D" が左随伴関手であるとは、"C"の各対象"X"に対して、"F"から"X"への普遍射が存在することである。"C"の各対象"X"に関して"D"の対象"G"0"X"と"F"から"X"への普遍射ε"X" : "F"("G"0"X") → "X"を決めると、関手"G" : "C" → "D"で、"GX" = "G"0"X"と、任意の"C"の射"f" : "X" → "Xʹ"についてε"Xʹ" formula_15 "FG"("f") = "f" formula_15 ε"X"が成り立つものが一意的に存在する。このとき、"F"は"G"の左随伴であるという。
関手 "G" : "C" → "D" が右随伴関手であるとは、"D"の各対象"Y"に対して、"Y"から"G"への普遍射が存在することである。"D"の各対象"Y"に関して"C"の対象"F"0"Y"と"Y"から"G"への普遍射η"Y" : "Y" → "G"("F"0"Y")を決めると、関手"F" : "C" ← "D"で、"FY" = "F"0"Y"と、任意の"D"の射"g" : "Y" → "Yʹ"について"GF"("g") formula_15 η"Y" = η"Yʹ" formula_15 "g"が成り立つものが一意的に存在する。このとき、"G"は"F"の右随伴であるという。
 "注意" 
用語から分かるように、"F"が"Gの左随伴"であることと"G"が"Fの右随伴"であることが同値であることは正しい。これは下記の対称的な定義では明らかである。普遍射を用いた定義は、与えられた関手が左または右随伴関手であることだけを確かめたいときに、必要な証明が最小限となるため、しばしば有用である。また、普遍射を求めることは最適化問題を解くことと似ているため、直観的でもある。
余単位-単位随伴による定義.
圏"C"と"D"の余単位-単位随伴は2つの関手 "F" : "C" ← "D" と "G" : "C" → "D" および2つの自然変換（それぞれ、この随伴の余単位射および単位射と呼ばれる）
であって、これらの合成
がそれぞれ、"F"と"G"上の恒等変換1"F" and 1"G"となることをいい、これらの自然変換をそれぞれcounitとunitと呼ぶ。
このとき、 "F"は"G"の左随伴であり "G"は"F"の右随伴であるという。この関係をformula_22、または単にformula_7と書く。
(ε,η)に関する上の条件を等式で書くと、counit-unit恒等式と呼ばれる
となり、これは"C"の各対象"X"と"D"の各対象"Y"について
が成り立つことを意味する。
これらの等式は随伴関手を代数的に操作する証明を短くするのに有用である。対応するstring diaglamでの見た目から、これはときに"ジグザグ恒等式"と呼ばれる。この等式を覚えるには、まず、無意味な等式formula_26を書き下し、簡単なやり方で合成が正しく定義されるように"F"と"G"を追加すればよい。
注: ここでのcounitの"co"という接頭辞は極限(limit)や余極限(colimit)での用法とは一貫していない。なぜなら、余極限は「始」普遍性を満たすのに対し、counitの定める射は「終」普遍性を満たすからである。これらの双対についても同様である。ここでの"unit"という用語はモナドからの借用であり、恒等射1をモノイドに埋め込むところから来ている。
hom集合随伴.
圏"C"と"D"の間のhom集合の随伴は2つの関手 "F" : "C" ← "D" と "G" : "C" → "D" および、自然同型
のことをいう。これは"C"の各対象"X"と"D"の各対象"Y"で添え字付けられた全単射の族
を定める。
このとき、 "F"は"G"の左随伴であり "G"は"F"の右随伴であるという。この関係をformula_29、または単にformula_7と書く。
この定義は普遍射を使ったものより少し確認することが多くて、すぐに得られる結果は余単位-単位随伴より少なくなるという論理的な折衷になっている。明らかな対称性や他の定義の間の架け橋にることは有用である。
Φが自然同型であるというときは、hom"C"("F"–, –) と hom"D"(–, "G"–) が関手であると考える必要がある。実際、これらは"D"op × "C"からSet(集合の圏)への双関手である。詳しくはHom関手の項目を参照せよ。明示的に書くと、Φの自然性というのは、全ての"C"の射 "f" : "X" → "X′"と全ての"D"の射"g" : "Y′" → "Y"について、以下の図式が可換になることをいう。
この図式の縦方向の射は"f"や"g"を合成することで誘導される射である。
随伴の全容.
以上のことから、随伴にはたくさんの関手や自然変換を持っているが、その一部を決めるだけで他のものは決定される。
圏"C"と"D"の間の随伴は以下のものから構成される。
等価な定式化として、"X"を"C"の任意の対象とし"Y"を"D"の任意の対象としたとき、
"全ての"C"の射formula_31に対して、"D"の射formula_32で、以下の図式を可換にするものが唯一つ存在し、全ての"D"の射formula_33に対して、"C"の射formula_34で、以下の図式を可換にするものが唯一つ存在する"
このことを使うと、以下に挙げる復元が可能である
とくに、上記の等式によりΦ、ε、ηはこれらのうち1つを使って定めることができる。しかし、随伴関手"F"と"G"だけでは随伴を定めるには一般には十分ではない。以下では定義の同値性を解説する。
普遍射がhom集合随伴を導くこと.
普遍射の意味での右随伴関手formula_39が与えられたとして、以下の手順を行う。
同様の議論により普遍射による左随伴関手の定義からhom集合の随伴を構成することができる。(右随伴を元に構成するほうが普通である。なぜなら、随伴対の右随伴を包含関手や忘却関手により自明なやり方で定めることが多くあるからである。)
余単位-単位随伴がhom集合随伴を導くこと.
関手 formula_63 と formula_64 およびcounit-unit随伴formula_65が与えられたとして、hom集合の随伴
を以下の手順で構成する。
hom集合随伴が上の全てを導くこと.
関手 formula_63 と formula_64 および、hom集合の随伴 formula_66 が与えられたとして、普遍射の族を導くcounit-unit随伴
を以下の手順で構成する。
歴史.
随伴の遍在性.
随伴関手の考えはダニエル・カンによって1958年に定式化された。多くの圏論の概念と同様に、ホモロジー代数において計算を行おうとした際に必要になったために導入された。この問題のきれいで系統的な表現を与えようと向き合った人々はアーベル群の圏において
のような関係があることに気づいていた。ここで、"F"は関手formula_89(つまり、"A"とテンソル積を取る)であり、"G"は関手hom("A",–)である。ここで"等号"を使うのは記号の乱用である。これらの群は実際には等しくないが、等しく見せるような"自然な"方法がある。自然に感じられる理由として、一番に、元々はこれらが"X" × "A"から"Y"への双線形写像の2つの異なった表現であるからである。しかし、これはテンソル積に関するいくぶん固有な話である。圏論においての全単射の自然性は自然同型の概念が元になっている。
この用語はヒルベルト空間において、上記のhom集合の間の関係と似た関係formula_90を満たす、随伴作用素"T"と"U"から来ている。"F"は"G"の"左随伴"といい、"G"は"F"の"右随伴"という。ただし、"G"自身も"F"とはかなり異なった右随伴を持ちうる(以下の例を見よ)。ある種の文脈においては、詳細なヒルベルト空間の随伴写像のアナロジーが可能である。
これらの随伴関手の対を探し始めると、実は抽象代数では非常にありふれたことであり、他の分野でも同様であることが分かる。以下の例の節ではこの証拠を与える。さらに、普遍的構成はもっと普通にたくさんの随伴関手の対に持ち上げることができる。
様々な問題の定式化.
数学者は一般的には完全な随伴関手の概念を必要としているわけではない。彼らの解こうとしている問題にあっているかや証明に必要かどうかで必要な概念かどうかを判定している。圏論の初期段階である1950年代にはこれらの動機に大きく引っ張られていた。アレクサンドル・グロタンディークの時代になって、圏論は他の仕事における指針として使われるようになった。はじめは関数解析とホモロジー代数であり最終的には代数幾何で使用された。
彼が随伴関手の概念を分離したというのはおそらく誤っているといえるが、随伴の特別な役割についてグロタンディーク固有の認識はあった。例えば、彼の著名な業績のひとつに、相対型のセール双対性、くだいていうと、代数多様体の連続な族に関するセール双対性がある。この証明の全体は結局のところある関手の右随伴が存在するかということになる。これは完全に抽象的で非構成的であるが、それなりに強力でもある。
半順序集合.
すべての半順序集合は圏とみなすことができる("x" ≤ "y" であるときに、またそのときのみ、 "x"と"y"の間には1つだけ射があるとする)。2つの半順序集合の間の随伴関手対はガロア接続と呼ばれる(そして、反変の場合は、"antitone"ガロア接続である)。ガロア接続の記事に多くの例がある。とくにガロア理論が一番の例である。任意のガロア接続は閉包作用素や対応する閉じた要素間の逆順序を保存する全単射に持ち上げることが出来る。
ガロア群の場合と同様に、実際の興味はしばしば双対との対応(例えば、"antitone"順序の同型)を詳細化していくことにある。Kaplanskyよるこのガロア理論の捕らえ方は、ここに一般的な構造があることへの認識に影響を与えた。
半順序の場合の随伴の定義は著しくつぶれているが、いくつかのテーマを与えてくれる。
このような観察は全ての数学で価値のあるものである。
例.
自由群.
自由群の構成は極めて普通の随伴による構成であり、上記の詳細の分かりやすくて便利な例である。
関手"F" : Grp ← Setは各集合"Y"に"Y"の要素の生成する自由群を対応させるものとし、関手"G" : Grp → Setは群"X"にその台集合を対応させる忘却関手とする。以下に示すように"F"は"G"の左随伴となる。
「終」普遍射。各群"X"について、群"FGX"は"GX"の生成する、すなわち"X"の元たちが生成する自由群である。群の準同型formula_91を"FGX"の生成元を対応する"X"の元に写すものとする。これは自由群の普遍性から常に存在する。このときformula_37は"F"から"X"への普遍射である。なぜなら、自由群"FZ"から"X"への群の準同型はformula_91を通して、一意的な"Z"から"GX"への写像経由で分解されるからである。これは("F", "G")が随伴の対であることを意味する。
「始」普遍射。各集合"Y"に対して、"GFY"は単に"Y"の生成する自由群"FY"の台集合である。写像formula_94は生成元の包含により与えられる。各formula_38は"Y"から"G"への普遍射である。なぜなら、"Y"から"GW"の台集合への写像はformula_94を通して、"FY"から"W"への一意的な群の準同型経由で分解されるからである。これも("F", "G")が随伴の対であることを意味する。
hom集合随伴。自由群"FY"から群"X"への群準同型は正確に集合"Y"から集合"GX"への写像に対応する。すなわち、"FY"から"X"への射は生成元への作用により完全に決定される。この対応が自然同型であることも直接確認できる。よって("F","G")に対応するhom集合の随伴が得られた。
余単位-単位随伴。εとηが自然であることは直接確かめられる。そして、余単位-単位随伴formula_22であることは以下のようにして示す。
1つ目の余単位-単位恒等式 formula_98というのは各集合"Y"に対して、合成
が恒等射であるということである。途中の群"FGFY"は自由群"FY"の語たちから生成される自由群である。(以降、括弧でくくられた語は独立した生成元を表すことにする)。射formula_100は"FY"から"FGFY"への群の単射準同型であり、"FY"の生成元"y"を対応する"FGFY"の生成元である長さ1の語 ("y") に写す。射formula_101は"FGFY"から"FY"への群の準同型であり、生成元を対応する"FY"の語に写す(つまり「括弧を外す」)。これらの合成はもちろん"FY"の恒等射である。
2つ目の余単位-単位恒等式 formula_102 というのは各群"X"に対して、合成
が恒等射であるということである。途中の集合"GFGX"は単に"FGX"の台集合である。射formula_104は集合"GX"から集合"GFGX"への「生成元たちの包含」写像である。射formula_105は集合"GFGX"から集合"GX"への写像で、"FGX"の生成元を"X"の元に写す(「括弧を外す」)という群の準同型の台である。これらの合成はもちろん"GX"の恒等射である。
自由構成と忘却関手.
自由対象は全て忘却関手の左随伴の例となる。ここで忘却関手は代数的対象をその台集合に写す。これらの代数的な自由関手に対しても、上記の自由群に詳細に記述したものと同様のことが一般に成り立つ。
対角関手と極限.
積、引き戻し、等化子、核はどれも圏論的な極限の例である。全ての極限関手は対応する対角関手(考えている極限の種類から決まる)の右随伴である。随伴の余単位は極限対象からの(つまり、関手圏における、考えている極限に対応する対角関手からの)定義射を与える。以下に個々の例を示す。
余極限と対角関手.
余積、押し出し、余等化子、余核はいずれも圏論における余極限の例えである。
全ての余極限関手は対応する対角関手(考えている余極限の種類から決まる)の左随伴である。随伴のunitは余極限対象への定義射を与える。以下に個々の例を示す。
性質.
存在性.
全ての関手 が左随伴を持つわけではない。 が完備圏であるときは、左随伴を持つ関手はPeter J. Freydの随伴関手定理「 が左随伴を持つための必要十分条件は、それが連続(極限を保つ)かつ、ある種の「集合性(小ささ)」条件をみたすことである」で特徴付けられる。具体的には、 の各対象 に対して、集合(つまり真クラスでない集合という意味で「小さい」) "I" の元で添字付けられた射の族 が存在して、任意の射 が適当な元 と射 を用いて と書けることが条件である。
同様のことが右随伴に関しても成り立つ。
一意性.
関手"F" : "C" ← "D"が2つの右随伴"G"と"G′"を持つとすると、"G"と"G′"は自然同型である。左随伴についても同様である。
逆に、"F"が"G"の左随伴であり、"G"と"G′"が自然同型であるとすると、"F"は"G′"の左随伴でもある。より一般には、〈"F", "G", ε, η〉が(ε,η)をcounit-unitとする随伴であり、
がともに自然同型であるとすると、〈"F"′, "G"′, ε′, η′〉も随伴である。ここで、
であり、formula_15は自然変換の垂直合成を表し、formula_114は水平合成を表すとする。
合成.
随伴は自然なやり方で合成できる。明示的に書くと、"C"と"D"との間の随伴〈"F", "G", ε, η〉と"D"と"E"との間の随伴〈"F"′, "G"′, ε′, η′〉が与えられたとき、関手
は関手
の左随伴である。さらに詳しく書くと、"F"′ "F"と"G" "G"′の間の随伴のunitとcounitは以下の合成で与えられる。
この新しい随伴は与えられた2つの随伴の合成と呼ばれる。
これにより、小さな圏を対象とし、随伴を射とする圏を作ることが出来る。
極限の保存.
随伴のもっとも重要な性質は連続性である。左随伴を持つ全ての関手(つまり右随伴"である"関手)は"連続"である(つまり圏論での極限と可換である)。右随伴を持つ全ての関手(つまり左随伴"である"関手)は"余連続"である(つまり余極限と可換である)。
数学における多くの共通の構成は極限か余極限であるので、このことはたくさんの情報をもたらす。例えば。
加法性.
"C"と"D"を前加法圏とし、"F" : "C" ← "D"を加法的関手とし、"G" : "C" → "D"が"F"の右随伴であるとすると、"G"も加法的関手であり、hom集合の全単射
は、実は、アーベル群の同型である。双対的に、"G"が加法的で、"F"が"G"の左随伴であるとすると、"F"もまた加法的である。
さらに、"C"と"D"を加法圏(つまり、前加法圏であり有限双積をもつ)とすると、任意の随伴関手の対は自動的に加法的となる。
関連.
普遍的構成.
初めに書いたように、圏"C"と"D"の随伴は2つの普遍射の族に持ち上げることができる。片方は"C"の対象について、もう片方は"D"の対象についての普遍射である。逆に、"D"の各対象から関手"G" : "C" → "D"への普遍射が存在するとき、"G"は左随伴である。
しかし、普遍的構成は随伴関手よりもっと一般的である。普遍的構成は最適化問題に似ていて、随伴の対に持ち上げられるのは、この問題が全ての"D"の対象について解を持つときであり、またそのときに限る("C"の対象についても同様)。
圏同値.
関手"F": "C"→"D"が圏同値の片方であるとすると、同値のもう片方の左随伴である。つまり、unitとcounitがともに同型である随伴である。
全ての随伴〈"F", "G", ε, η〉はある部分圏の同値性を拡張する。"C"の対象"X"でε"X"が同型射であるものからなる"C"の充満部分圏を"C"1とする。"D"の対象"Y"でη"Y"が同型射であるものかならる"D"の充満部分圏を"D"1とする。このとき、"F"と"G"をそれぞれ"D"1 と "C"1に制限した関手はこれらの部分圏の同値の反転となっている。
この意味で、随伴は"一般化された"逆元である。しかし、"F"の右逆(つまり、関手"G"であって"FG"が1"D"に自然同型なもの)は必ずしも"F"の右または左随伴になるとは限らない。随伴は"2方向に"一般化された逆である。
モナド.
全ての随伴〈"F", "G", ε, η〉は"D"における関連するモナド〈"T", η, μ〉に持ち上げることができる。関手
は"T" = "GF"で与えられる。モナドのunit
は随伴のunit ηそのものである。乗法の変換
はμ = "G"ε"F"で与えられる。双対的に、〈"FG", ε, "F"η"G"〉は"C"におけるコモナドを定める。
全てのモナドが随伴から作ることができる。実際、典型的なモナドは多くの随伴から上の方法を用いて構成されている。2つの構成Eilenberg–Moore algebraとクライスリ圏はモナドから随伴を構成する問題に対する、2つの両極端の解である。