Sari la conținutul principal

Lema lui Yoneda

Cel mai important rezultat în teoria categoriilor este lema lui Nobuo Yoneda, aceasta o vom demonstra în cadrul categoriilor local mici. Această lemă stă la bază a ce numim (co)end calculus pentru a determina obiecte cu proprietăți universale dar această lemă mai are o consecință foarte la modul în care privim obiectele într-o categorie.

Lema lui Yoneda​

Fie C\mathcal{C} o categorie local mică atunci ∀A∈Ob(C)\forall A \in Ob(\mathcal{C}):

  • (varianta covariantă) pentru un functor F:C→SetF : \mathcal{C} \rightarrow \mathbf{Set} mulțimea transformărilor naturale de la hom-funtorul Hom(A,−)Hom(A, -) la FF sunt în corespondență de unu la unu cu elementele lui FAFA, Nat(Hom(A,−),F)≡Hom(Hom(A,−),F)≅FANat(Hom(A, -), F) \equiv Hom(Hom(A, -), F) \cong FA
  • (varianta contravariantă) pentru un functor F:Cop→SetF : \mathcal{C}^{op} \rightarrow \mathbf{Set} mulțimea transformărilor naturale de la hom-funtorul Hom(−,A)Hom(-, A) la FF sunt în corespondență de unu la unu cu elementele lui FAFA, Nat(Hom(−,A),F)≡Hom(Hom(−,A),F)≅FANat(Hom(-, A), F) \equiv Hom(Hom(-, A), F) \cong FA

Cazul covariant​

Pentru a stabili o bijecție între cele două mulțimi trebuie să definim două funcții și să arătăm că dă identitatea când le compunem în oricare ordine. Luăm prima dată cazul covariant.

Se definește funcția θ:Nat(HomC(A,−),F)→FA\theta : Nat(Hom_\mathcal{C}(A, -), F) \rightarrow FA care ia o transformare naturală α\alpha și o duce în elementul θ(α)=αA(idA)\theta(\alpha) = \alpha_A(id_A), aici trebuie mai multe explicații. Pentru că avem idA∈HomC(A,A)id_A \in Hom_\mathcal{C}(A, A) atunci componenta αA:HomC(A,A)→FA\alpha_A : Hom_\mathcal{C}(A, A) \rightarrow FA ia idAid_A și o va duce în FidA=idFAFid_A = id_{FA} prin definiție. Cu alte cuvinte, luăm o transformare naturală și uită de toate componentele în afară de componenta pe identitatea lui AA.

Se definește funcția τ:FA→Nat(HomC(A,−),F)\tau : FA \rightarrow Nat(Hom_\mathcal{C}(A, -), F) care ia un element a∈FAa \in FA și îl duce în transformarea naturală τ(a):HomC(A,−)⇒F\tau(a) : Hom_\mathcal{C}(A, -) \Rightarrow F cu componente τ(a)B:HomC(A,B)→FB\tau(a)_B : Hom_\mathcal{C}(A, B) \rightarrow FB pentru care ∀f∈HomC(A,B)\forall f \in Hom_\mathcal{C}(A, B) τ(a)B(f)=F(f)(a)\tau(a)_B(f) = F(f)(a), adică, un element din HomC(A,B)Hom_\mathcal{C}(A, B) este dus la maparea sa dată de FF aplicată pe aa. Astfel τ\tau este o funcție care ia un element din FAFA și dă o transformare naturală care corespunde la acel element.

Se poate vedea clar că τ\tau duce într-o transformare naturală pentru că ∀g:B→C\forall g : B \rightarrow C există relația:

Fg∘τ(a)B=τ(a)C∘HomC(A,g)Fg \circ \tau(a)_B = \tau(a)_C \circ Hom_\mathcal{C}(A, g)

Reprezentând următoarea diagramă:

Care rescrisă este pentru un f:A→Bf : A \rightarrow B este:

Fg∘τ(a)B(f)=Fg∘F(f)(a)=F(g∘f)(a)=F(HomC(A,g)(f))(a)=(τ(a)C∘HomC(A,g))(f)Fg \circ \tau(a)_B(f) = Fg \circ F(f)(a) = F(g \circ f)(a) = F(Hom_\mathcal{C}(A, g)(f))(a) = (\tau(a)_C \circ Hom_\mathcal{C}(A, g))(f)

Acum verificăm compunerile:

  • ∀a∈FA\forall a \in FA, (θ∘τ)(a)=θ(τ(a))=τ(a)A(idA)=idFA(a)(\theta \circ \tau)(a) = \theta(\tau(a)) = \tau(a)_A(id_A) = id_{FA}(a), cu alte cuvinte
θ∘τ=idNat(Hom(A,−),F)\theta \circ \tau = id_{Nat(Hom(A, -), F)}
  • ∀α:HomC(A,−)⇒F\forall \alpha : Hom_\mathcal{C}(A, -) \Rightarrow F, ∀f∈HomC(A,B)\forall f \in Hom_\mathcal{C}(A, B):
τ(θ(α))B(f)=τ(αA(idA))B(f)=F(f)(αA(idA))=αB(HomC(A,f)(idA))=αB(f)\tau(\theta(\alpha))_B(f) = \tau(\alpha_A(id_A))_B(f) = F(f)(\alpha_A(id_A)) = \alpha_B(Hom_\mathcal{C}(A, f)(id_A)) = \alpha_B(f)

În acest caz componentele lui τ(θ(α))(f)\tau(\theta(\alpha))(f) pică exact pe componentele corespunzătoare din α(f)\alpha(f) și astfel obținem identitățile pe transformările naturale.

Cazul contravariant​

Pentru cazul contravariant demonstrația este similară:

Se definește funcția θ:Nat(HomC(−,A),F)→FA\theta : Nat(Hom_\mathcal{C}(-, A), F) \rightarrow FA care ia o transformare naturală α\alpha și o duce în elementul θ(α)=αA(idAop)\theta(\alpha) = \alpha_A(id_A^{op}), aici trebuie mai multe explicații.

Se definește funcția τ:FA→Nat(HomC(−,A),F)\tau : FA \rightarrow Nat(Hom_\mathcal{C}(-, A), F) care ia un element a∈FAa \in FA și îl duce în transformarea naturală τ(a):HomC(−,A)⇒F\tau(a) : Hom_\mathcal{C}(-, A) \Rightarrow F cu componente τ(a)B:HomC(B,A)→FB\tau(a)_B : Hom_\mathcal{C}(B, A) \rightarrow FB pentru care ∀f∈HomC(B,A)\forall f \in Hom_\mathcal{C}(B, A) τ(a)B(f)=F(f)(a)\tau(a)_B(f) = F(f)(a).

Se poate vedea clar că τ\tau duce într-o transformare naturală pentru că ∀g:C→B\forall g : C \rightarrow B există relația:

Fg∘τ(a)B=τ(a)C∘HomC(g,A)Fg \circ \tau(a)_B = \tau(a)_C \circ Hom_\mathcal{C}(g, A)

Reprezentând următoarea diagramă:

Care rescrisă este pentru un f:B→Af : B \rightarrow A este:

Fg∘τ(a)B(f)=Fg∘F(f)(a)=F(f∘g)(a)=F(HomC(g,A)(f))(a)=(τ(a)C∘HomC(g,A))(f)Fg \circ \tau(a)_B(f) = Fg \circ F(f)(a) = F(f \circ g)(a) = F(Hom_\mathcal{C}(g, A)(f))(a) = (\tau(a)_C \circ Hom_\mathcal{C}(g, A))(f)

Acum verificăm compunerile:

  • ∀a∈FA\forall a \in FA, (θ∘τ)(a)=θ(τ(a))=τ(a)A(idAop)=idFA(a)(\theta \circ \tau)(a) = \theta(\tau(a)) = \tau(a)_A(id_A^{op}) = id_{FA}(a), cu alte cuvinte
θ∘τ=idNat(Hom(−,A),F)\theta \circ \tau = id_{Nat(Hom(-, A), F)}
  • ∀α:HomC(−,A)⇒F\forall \alpha : Hom_\mathcal{C}(-, A) \Rightarrow F, ∀f∈HomC(B,A)\forall f \in Hom_\mathcal{C}(B, A):
τ(θ(α))B(f)=τ(αA(idAop))B(f)=F(f)(αA(idAop))=αB(HomC(f,A)(idAop))=αB(f)\tau(\theta(\alpha))_B(f) = \tau(\alpha_A(id_A^{op}))_B(f) = F(f)(\alpha_A(id_A^{op})) = \alpha_B(Hom_\mathcal{C}(f, A)(id_A^{op})) = \alpha_B(f)

Și în acest caz componentele lui τ(θ(α))(f)\tau(\theta(\alpha))(f) pică exact pe componentele corespunzătoare din α(f)\alpha(f) și astfel obținem identitățile pe transformările naturale.

Concluzii​

Lema lui Yoneda este fundamentală pentru teoria categoriilor pentru simplul fapt că putem trece foarte între nivele abstracte diferite, aici trecem de la mulțimi de transformări naturale la mulțimi și invers.

Resurse​