モナド (圏論)

数学の一分野である圏論において、モナド（英語: monad）とは、モノイドに似た構造を備えた自己関手である。モナドは半順序集合上の閉包作用素の一般化や、双圏（英語: bicategory）上のモノイドに似た構造として捉えられ、随伴関手（または随伴1-セル）と強い関係を持つ。双対概念はコモナド（英語版）である。 歴史的に、この構造は「双対標準構成（英: dual standard construction）」「トリプル（英: triple）」「モノイド（英: monoid）」「トライアド（英: triad）」と様々な呼称で呼ばれており、これについてソーンダース・マックレーンは『圏論の基礎』の中で「不幸にも「トリプル」という語がこの意味でしばしば用いられたことが無用な混乱を拡大した」と記している。「モナド」という語彙はライプニッツ（モナド (哲学) を参照）からの借用であるが、これを誰が名付けたかは定かではない。少なくともジャン・ベナブー（英語: Jean Bénabou）の1967年の論文に使用例が存在しており、1969年ごろの段階ではマックレーンもまだ呼称を決定していなかったことをロス・ストリート（英語: Ross Street）が明かしている。 C {\displaystyle C} が圏のとき、 C {\displaystyle C} 上のモナドは関手 T : C → C {\displaystyle T:C\rightarrow C} と2つの自然変換 η : 1 C → T {\displaystyle \eta :1_{C}\rightarrow T} ( 1 C {\displaystyle 1_{C}} は C {\displaystyle C} 上の恒等関手) と μ : T 2 → T {\displaystyle \mu :T^{2}\rightarrow T} ( T 2 {\displaystyle T^{2}} は関手 T ∘ T : C → C {\displaystyle T\circ T:C\rightarrow C} ) から成り、これらは以下の条件をみたす(en:coherence_conditions と呼ばれることもある)： μ ∘ T μ = μ ∘ μ T {\displaystyle \mu \circ T\mu =\mu \circ \mu T} (自然変換 T 3 → T {\displaystyle T^{3}\rightarrow T} として) μ ∘ T η = μ ∘ η T = 1 T {\displaystyle \mu \circ T\eta =\mu \circ \eta T=1_{T}} (自然 T → T {\displaystyle T\rightarrow T} として。ここで 1 T {\displaystyle 1_{T}} は T {\displaystyle T} 上の恒等変換である) これらの条件は以下の可換図式によって書き直すことができる： T μ {\displaystyle T\mu } や μ T {\displaystyle \mu T} という表記を展開し以下の可換図式で表すと以下のようになる： 圏 C {\displaystyle C} 上の自己関手（C から C への関手）を対象として、それらの間の自然変換を射とする圏を E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} で表す。このとき、自己関手の合成演算 ∘ {\displaystyle \circ } は E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} にモノイダル圏の構造を与える。 E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} において C {\displaystyle C} 上のモナド ( T , η , μ ) {\displaystyle (T,\eta ,\mu )} は、 E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} の対象 T {\displaystyle T} と射 η : 1 C → T {\displaystyle \eta :1_{C}\to T} , μ : T ∘ T → T {\displaystyle \mu :T\circ T\to T} の組であって、 μ ⋅ ( T ∘ μ ) = μ ⋅ ( μ ∘ T ) {\displaystyle \mu \cdot (T\circ \mu )=\mu \cdot (\mu \circ T)} μ ⋅ ( T ∘ η ) = μ ⋅ ( η ∘ T ) = 1 T {\displaystyle \mu \cdot (T\circ \eta )=\mu \cdot (\eta \circ T)=1_{T}} （ここで・は E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} の射の合成を表す）を満たすものと書ける。すなわち、これは E n d C {\displaystyle \mathrm {End} _{C}} のモノイド (Monoid (category theory)) である。 完備束 L 上の写像 c: L → L が以下の条件を満たすとき、c を閉包作用素（英語版）と言う： x ≦ y ならば c(x) ≦ c(y) x ≦ c(x) c(c(x)) = c(x) L と順序関係 ≦ のなす構造を圏とみなしたとき、条件1と順序関係の性質から c を関手と思うことができる。さらに、順序集合を圏とみなしたとき、各対象の間の射は高々1つである。このことと条件2,3を用いると、c は L 上のモナドである条件を満たす。半順序上のモナドが閉包作用素であることは Mac Lane (1978, p. 139) でも示されている。 集合の圏 Set 上の関手 T: Set → Set を T A := ∐ n ≥ 0 A n {\displaystyle TA:=\coprod _{n\geq 0}A^{n}} で定める。すなわち、TA は A の要素の有限長のリスト [a1, a2, ..., an]すべてからなる集合である。このとき、ηA: A → TA を a ↦ [a] として、μA: T 2A → TA をリストの結合で定めると、T は Set 上のモナドとなる。これを自由モノイドモナド、あるいはリストモナドと呼ぶ。 関手 F : C → D {\textstyle F:\mathbb {C} \to \mathbb {D} } と G : D → C {\textstyle G:\mathbb {D} \to \mathbb {C} } は随伴、すなわち自然な同型 φ : D ( F x , y ) ≃ C ( x , G y ) {\displaystyle \varphi :\mathbb {D} (Fx,y)\simeq \mathbb {C} (x,Gy)} が存在するとき、関手 G ∘ F : C → C {\textstyle G\circ F:\mathbb {C} \to \mathbb {C} } はモナドとなる。ここでモナドを構成する ηx: x → GFx は随伴の単位射、μx: GFGFx → GFx は随伴の余単位 εy: FGy → y を用いて GεFx で定まる。 随伴関手はモナドを伴う一方、全てのモナドは随伴関手の合成として表すことができる。圏 ℂ 上のモナド ( T , η , μ ) {\displaystyle (T,\eta ,\mu )} に伴う特別な随伴として、アイレンベルグ-ムーア圏（英語版） C T {\displaystyle \mathbb {C} ^{T}} とクライスリ圏 C T {\displaystyle \mathbb {C} _{T}} への随伴が知られている。 圏 ℂ 上のモナド ( T , η , μ ) {\displaystyle (T,\eta ,\mu )} に対して、ℂ の対象 A と射 α: TA → A の組をT-代数という。また、T-代数 (A, α) と (B, β) の間のモルフィズム f: (A, α) → (B, β) を、 β ∘ T f = f ∘ α {\displaystyle \beta \circ Tf=f\circ \alpha } を満たす ℂ の射 f: A → B で定める。T のアイレンベルグ-ムーア圏 C T {\displaystyle \mathbb {C} ^{T}} とは、T-代数とその間のモルフィズムからなる圏である。 T-代数の圏に対して、随伴となる関手 F T : C → C T {\textstyle F^{T}:\mathbb {C} \to \mathbb {C} ^{T}} と U T : C T → C {\textstyle U^{T}:\mathbb {C} ^{T}\to \mathbb {C} } は次のように定められる： F T ( x ) = ( T x , μ x ) {\displaystyle F^{T}(x)=(Tx,\mu _{x})} , F T ( f ) = T f {\displaystyle F^{T}(f)=Tf} U T ( A , α ) = A {\displaystyle U^{T}(A,\alpha )=A} , U T ( f ) = f {\displaystyle U^{T}(f)=f} 定義から U T ∘ F T = T {\displaystyle U^{T}\circ F^{T}=T} であり、従って T {\displaystyle T} は F T {\displaystyle F^{T}} と U T {\displaystyle U^{T}} に伴うモナドである。 アイレンベルグ-ムーア圏とそれに伴う随伴は、任意の随伴 F ⊣ G : C ⇀ D {\displaystyle F\dashv G:\mathbb {C} \rightharpoonup \mathbb {D} } に対して L ∘ F = F T {\textstyle L\circ F=F^{T}} と U T ∘ L = G {\textstyle U^{T}\circ L=G} を満たす関手 L : D → C T {\displaystyle L:\mathbb {D} \to \mathbb {C} ^{T}} がただ1つ存在するという性質を持つ。 圏 ℂ 上のモナド ( T , η , μ ) {\displaystyle (T,\eta ,\mu )} に対して、T のクライスリ圏 C T {\displaystyle \mathbb {C} _{T}} は C {\textstyle \mathbb {C} } と同一の対象を持ち、 C T ( x , y ) = C ( x , T y ) {\displaystyle \mathbb {C} _{T}(x,y)=\mathbb {C} (x,Ty)} によって定まる射を持つ圏である。このとき、 C T {\displaystyle \mathbb {C} _{T}} における射の合成は、 f : x → T y {\displaystyle f:x\to Ty} と g : y → T z {\displaystyle g:y\to Tz} に対して x → f T y → T g T 2 z → μ z T z {\textstyle x\xrightarrow {f} Ty\xrightarrow {Tg} T^{2}z\xrightarrow {\mu _{z}} Tz} で定まる。また、恒等射は η x : x → T x {\displaystyle \eta _{x}:x\to Tx} となる。 クライスリ圏 C T {\displaystyle \mathbb {C} _{T}} に対して、随伴となる関手 F T : C → C T {\textstyle F_{T}:\mathbb {C} \to \mathbb {C} _{T}} と U T : C T → C {\textstyle U_{T}:\mathbb {C} _{T}\to \mathbb {C} } は次のように定められる： F T ( x ) = x {\displaystyle F_{T}(x)=x} , F T ( f ) = η y ∘ f {\displaystyle F_{T}(f)=\eta _{y}\circ f} U T ( x ) = T x {\displaystyle U_{T}(x)=Tx} , U T ( f ) = μ y ∘ T f {\displaystyle U_{T}(f)=\mu _{y}\circ Tf} 定義から U T ∘ F T = T {\displaystyle U_{T}\circ F_{T}=T} であり、従って T {\displaystyle T} は F T {\displaystyle F_{T}} と U T {\displaystyle U_{T}} に伴うモナドである。 クライスリ圏とそれに伴う随伴は、任意の随伴 F ⊣ G : C ⇀ D {\displaystyle F\dashv G:\mathbb {C} \rightharpoonup \mathbb {D} } に対して K ∘ F T = F {\textstyle K\circ F_{T}=F} と G ∘ K = U T {\textstyle G\circ K=U_{T}} を満たす関手 K : C T → D {\displaystyle K:\mathbb {C} _{T}\to \mathbb {D} } がただ1つ存在するという性質を持つ。 [脚注の使い方] ^ Mac Lane 2012, p. 184. ^ Bénabou, Jean (1967). Bénabou, J.; Davis, R.; Dold, A. et al.. eds. “Introduction to bicategories” (英語). Reports of the Midwest Category Seminar (Berlin, Heidelberg: Springer): 1–77. doi:10.1007/BFb0074299. ISBN 978-3-540-35545-8. https://link.springer.com/chapter/10.1007/BFb0074299.  ^ “RE: Monads”. gmane. 2015年3月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年3月26日閲覧。 ^ Riehl 2016, p. 154. ^ Ward, Morgan (1942). “The Closure Operators of a Lattice”. Annals of Mathematics 43 (2): 191–196. doi:10.2307/1968865. ISSN 0003-486X. https://www.jstor.org/stable/1968865.  ^ Riehl 2016, p. 156. ^ Mac Lane 2012, p. 185. ^ Mac Lane 2012, pp. 186–188. ^ Eilenberg, Samuel; Moore, John C. (1965-09-01). “Adjoint functors and triples”. Illinois Journal of Mathematics 9 (3). doi:10.1215/ijm/1256068141. ISSN 0019-2082. https://projecteuclid.org/journals/illinois-journal-of-mathematics/volume-9/issue-3/Adjoint-functors-and-triples/10.1215/ijm/1256068141.full.  ^ Mac Lane 2012, pp. 196–197. ^ Kleisli, H. (1965). “Every Standard Construction is Induced by a Pair of Adjoint Functors”. Proceedings of the American Mathematical Society 16 (3): 544–546. doi:10.2307/2034693. ISSN 0002-9939. https://www.jstor.org/stable/2034693.  ^ Mac Lane 2012, p. 198. Mac Lane, Saunders (1978). Categories for the Working Mathematician (2 ed.). Springer New York, NY. doi:10.1007/978-1-4757-4721-8. ISBN 978-0-387-98403-2. ISSN 0072-5285  Mac Lane, Saunders 著、三好 博之、高木 理 訳『圏論の基礎』丸善出版、2012年。ISBN 978-4-621-06324-8。  Riehl, Emily (2016). Category Theory in Context. Aurora: Modern Math Originals. Dover Publications. ASIN B06XHZ82GF. ISBN 9780486809038. https://emilyriehl.github.io/files/context.pdf  Turi, Daniele (2001), Category Theory Lecture Notes, http://www.dcs.ed.ac.uk/home/dt/CT/, "based on Mac Lane’s Categories for the Working Mathematician"  Barr, Michael; Wells, Charles (2020-04-15) [1990] (英語). Category Theory for Computing Science. doi:10.5555/92134. http://www.tac.mta.ca/tac/reprints/articles/22/tr22.pdf  Godement, Roger (1958) (英語). Topologie Algébrique et Théorie des Faisceaux. Actualités Scientifiques et Industrielles, no. 1252, Paris, Hermann, 1958. viii+283 pp.. Paris: Hermann. doi:10.1090/s0002-9904-1960-10369-2. ISSN 1088-9485  Pedicchio, Maria Cristina; Tholen, Walter, eds (2004). Categorical foundations: Special Topics in Order, Topology, Algebra, and Sheaf Theory. Encyclopedia of Mathematics and Its Applications. 97. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-83414-7. Zbl 1034.18001  圏論 モナド (プログラミング) Monads - YouTubeプレイリスト, five short lectures (with one appendix). Baez, John (September 17, 1996). “This Week's Finds in Mathematical Physics (Week 89)”. 2013年8月23日閲覧。 covers monads in 2-categories.