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大学数学基礎解説
文献あり

豊穣圏の導入 第2回: 集合の圏は対称モノイダル閉圏をなす (後半)

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前回の記事 [ 6 ] では,関手や自然変換などの概念を導入して,モノイダル圏を定義した.
この記事では,集合の圏Setが対称モノイダル閉圏であることを証明する.

導入

素朴集合論の基礎 (集合と写像,空集合など) に親しみがあり,圏の定義を知っていることを仮定する.

第1回の記事 [ 5 ] からは,定義 1,命題 3,定義 4,命題 6 を用いており,これらを定義 1.1,命題 1.3,定義 1.4,命題 1.6 で表している.

第2回 (前半) の記事 [ 6 ] からは,定義 3,命題 1,命題 2,定義 6,命題 6,定義 11,定義 12 を用いており,これを定義 2.a.3,命題 2.a.1,命題 2.a.2,定義 2.a.6,命題 2.a.6,定義 2.a.11,定義 2.a.12 で表している.

集合の圏はモノイダル圏である

準備

まず,定義 1.1 で構成した集合の圏Setがモノイダル圏であることを示す.正確には,

  • Set2からSetへの関手
  • 集合I
  • lからrへの自然同型a
  • Iから1Setへの自然同型l
  • Iから1Setへの自然同型r

であって,(Set,,I,a,l,r)がモノイダル圏であるものが存在する,すなわちSet上のモノイダル構造(,I,a,l,r)が存在することを示す.

以下では,Setでの同型射のことを全単射 (bijection) とよぶことにする.

第2回 (前半) の記事 [ 6 ] の §3.2 の冒頭での計算から,以下が成り立つ:

  • 集合Xi (1i3) に対して,l(X1,X2,X3)=(X1X2)X3であり,r(X1,X2,X3)=X1(X2X3)である.
  • 写像fi:XiYi (1i3) に対して,l(X1,X2,X3)=(X1X2)X3からl(Y1,Y2,Y3)=(Y1Y2)Y3への写像l((f1,f2,f3))(f1f2)f3に等しく,r(X1,X2,X3)=X1(X2X3)からr(Y1,Y2,Y3)=Y1(Y2Y3)への写像r((f1,f2,f3))f1(f2f3)に等しい.

一方で,集合Iに対して,以下が成り立つ:

  • 集合Xに対して,定義 2.a.11, (1) より(I)X=(I,X)=IXであり,定義 2.a.11, (2) より(I)X=(X,I)=XIである.
  • 写像f:XYに対して,定義 2.a.11, (1) より(I)X=IXから(I)Y=IYへの写像(I)(f)(1I,f)=1Ifに等しく,定義 2.a.11, (2) より(I)X=XIから(I)Y=YIへの写像(I)(f)(f,1I)=f1Iに等しい.

ゆえに,a, l, rが自然同型であるということは,次のように換言される:

  • alからrへの自然同型であるとは,命題 2.a.6 よりalからrへの自然変換であり,各集合XYZに対して,aX,Y,Zl(X,Y,Z)=(XY)Zからr(X,Y,Z)=X(YZ)への全単射であることであり,これは定義 2.a.3 よりal(X,Y,Z)=(XY)Zからr(X,Y,Z)=X(YZ)への全単射aX,Y,Z (X,Y,ZSet) の族{aX,Y,Z:(XY)ZX(YZ)}X,Y,ZSetであり,任意の写像f:XXg:YYh:ZZに対して,aX,Y,Zl((f,g,h))=r((f,g,h))aX,Y,Zである,すなわちaX,Y,Z((fg)h)=(f(gh))aX,Y,Zをみたすことである:
    (XY)ZaX,Y,Z(fg)hX(YZ)f(gh)(XY)ZaX,Y,ZX(YZ)

  • lIから1Setへの自然同型であるとは,定義 2.a.3 と命題 2.a.6 よりlIから1Setへの自然変換であり,各集合Xに対して,lX(I)X=IXから1SetX=Xへの全単射であることであり,これは定義 2.a.3 と定義 2.a.6 よりlIXからXへの全単射lX (XSet) の族{lX:IXX}XSetであり,任意の写像f:XYに対して,lY(I)(f)=1Set(f)lX,すなわちlY(1If)=flXをみたすことである:
    IXlX1IfXfIYlYY

  • rIから1Setへの自然同型であるとは,定義 2.a.3 と命題 2.a.6 よりrIから1Setへの自然変換であり,各集合Xに対して,rX(I)X=XIから1SetX=Xへの全単射であることであり,これは定義 2.a.3 と定義 2.a.6 よりrXIからXへの全単射rX (XSet) の族{rX:XIX}XSetであり,任意の写像f:XYに対して,rY(I)(f)=1Set(f)rX,すなわちrY(f1I)=frXをみたすことである:
    XIrXf1IXfYIrYY

従って,V=Setである場合は,モノイダル圏の定義 (定義 2.a.12) は以下のように書き換えられる:

  • Set2からSetへの関手
  • 集合I
  • 全単射aX,Y,Z:(XY)ZX(YZ) (X,Y,ZSet),
  • 全単射lX:IXX (XSet),
  • 全単射rX:XIX (XSet),

が与えられているとする.写像の族alrをそれぞれa:={aX,Y,Z}X,Y,ZSetl:={lX}XSetr:={rX}XSetで定めるとき,組(Set,,I,a,l,r)がモノイダル圏であることは,以下が成立することと同値である:

  1. 任意の写像f:XXg:YYh:ZZに対して,aX,Y,Z((fg)h)=(f(gh))aX,Y,Zである:
    (XY)ZaX,Y,Z(fg)hX(YZ)f(gh)(XY)ZaX,Y,ZX(YZ)

  2. 任意の写像f:XYに対して,lY(1If)=flXである:
    IXlX1IfXfIYlYY

  3. 任意の写像f:XYに対して,rY(f1I)=frXである:
    XIrXf1IXfYIrYY

  4. 任意の集合XYZWに対して,次の等式が成り立つ:
    (1WaX,Y,Z)aW,XY,Z(aW,X,Y1Z)=aW,X,YZaWX,Y,Z.
    すなわち,以下の図式は可換である:
    (WX)(YZ)aW,X,YZ((WX)Y)ZaW,X,Y1ZaWX,Y,ZW(X(YZ))(W(XY))ZaW,XY,ZW((XY)Z)1WaX,Y,Z

  5. 任意の集合XYに対して,rX1Y=(1XlY)aX,I,Yである.
    すなわち,以下の図式は可換である:
    (XI)YaX,I,YrX1YX(IY)1XlYXY

関手と集合Iの構成

第1回の記事 [ 5 ] で導入したように,集合XYに対して,XYの積とよばれる集合X×Yと写像pX,Y:X×YXqX,Y:X×YYが定まり,(X×Y,pX,Y,qX,Y)Setでの (定義 1.4 の意味での) 積をなすのであった (命題 1.6).この積を用いて関手を定める.

Set2からSetへの関手を以下で定義する:
(1) 集合XYに対して,集合(X,Y)
(X,Y):=X×Y={(x,y):xX,yY},
で定める.
(2) 写像f:XXg:YYに対して,(X,Y)から(X,Y)への写像((f,g))を,各(x,y)XYに対して(((f,g)))((x,y)):=(f(x),g(y))で定める.

Set2からSetへの関手である.

実際,集合XYを任意に取るとき,
((1(X,Y)))((x,y))=(((1X,1Y)))((x,y))=(1X(x),1Y(y))=(x,y)=1(X,Y)((x,y)),
が各(x,y)X×Yに対して成り立つので,(1(X,Y))=1(X,Y)である.

また,写像f:XXg:YYf:XXg:YYを任意に取るとき,
(((f,g)(f,g)))((x,y))=(((ff,gg)))((x,y))=((ff)(x),(gg)(y))=(f(f(x)),g(g(y)))=((f,g))((f(x),g(y)))=((f,g))(((f,g))((x,y)))=((f,g)(f,g))((x,y)),
が各(x,y)X×Yに対して成り立つので,((f,g)(f,g))=((f,g))((f,g))である.

以下では,集合XYに対して,集合(X,Y)XYで表し,写像f:XXg:YYに対して,写像(f,g)fgで表す.

写像f:XXg:YY(x,y)XYに対して,(fg)((x,y))=((f,g))((x,y))=(f(x),g(y))である.

また,が関手であることから,任意の集合XYに対して,
1X1Y=(1X,1Y)=(1(X,Y))=1(X,Y)=1XY,
であり,任意の写像f:XXg:YYf:XXg:YYに対して,
(ff)(gg)=(ff,gg)=((f,g)(f,g))=(f,g)(f,g)=(fg)(fg),
である.

命題 1.3 より{}Setの終対象である.

集合II:={}で定める.

全単射aX,Y,ZlXrXの構成

集合XYZに対して,(XY)ZからX(YZ)への写像aX,Y,Zを,各((x,y),z)(XY)Zに対して,aX,Y,Z(((x,y),z)):=(x,(y,z))で定めて,X(YZ)から(XY)Zへの写像aX,Y,Zを,各(x,(y,z))(XY)Zに対して,aX,Y,Z((x,(y,z))):=((x,y),z)で定める.

集合XYZを取るとき,aX,Y,Z(XY)ZからX(YZ)への全単射である.

実際,任意の((x,y),z)(XY)Zに対して,
(aX,Y,ZaX,Y,Z)(((x,y),z))=aX,Y,Z(aX,Y,Z(((x,y),z)))=aX,Y,Z((x,(y,z)))=((x,y),z)=1(XY)Z(((x,y),z)),
だから,aX,Y,ZaX,Y,Z=1(XY)Zであり,任意の(x,(y,z))X(YZ)に対して,
(aX,Y,ZaX,Y,Z)((x,(y,z)))=aX,Y,Z(aX,Y,Z((x,(y,z))))=aX,Y,Z(((x,y),z))=(x,(y,z))=1X(YZ)((x,(y,z))),
だから,aX,Y,ZaX,Y,Z=1X(YZ)である.ゆえに,aX,Y,Z(XY)ZからX(YZ)への全単射であり,aX,Y,Z1=aX,Y,Zをみたす.

Xを集合とする.定義 2 よりI={}だから,
IX={(i,x):iI,xX}={(i,x):i{},xX}={(,x):xX},
であり,
XI={(x,i):xX,iI}={(x,i):xX,i{}}={(x,):xX},
である.
(1) IXからXへの写像lXを,各(,x)IXに対して,lX((,x)):=xで定めて,XからIXへの写像lXを,各xXに対して,lX(x):=(,x)で定める.
(2) XIからXへの写像rXを,各(x,)XIに対して,rx((x,)):=xで定めて,XからXIへの写像rXを,各xXに対して,rX(x):=(x,)で定める.

集合Xを取るとき,lXIXからXへの全単射であり,rXXIからXへの全単射である.

実際,任意の(,x)IXに対して,
(lXlX)((,x))=lX(lX((,x)))=lX(x)=(,x)=1IX((,x)),
だから,lXlX=1IXであり,任意のxXに対して,
(lXlX)(x)=lX(lX(x))=lX((,x))=x=1X(x),
だから,lXlX=1Xである.ゆえに,lXIXからXへの全単射であり,lX1=lXをみたす.

また,任意の(x,)XIに対して,
(rXrX)((x,))=rX(rX((x,)))=rX(x)=(x,)=1XI((x,)),
だから,rXrX=1XIであり,任意のxXに対して,
(rXrX)(x)=rX(rX(x))=rX((x,))=x=1X(x),
だから,rXrX=1Xである.ゆえに,rXXIからXへの全単射であり,rX1=rXをみたす.

写像の族alrをそれぞれa:={aX,Y,Z}X,Y,ZSetl:={lX}XSetr:={rX}XSetで定める.

集合の圏はモノイダル圏をなす

この小節では,以下の命題を証明する:

(Set,,I,a,l,r)はモノイダル圏である.すなわち,組(,I,a,l,r)(Set,,I,a,l,r)上のモノイダル構造である.

(Set,,I,a,l,r)が命題 1, (1) をみたすこと

写像f:XXg:YYh:ZZを任意に取る.任意の((x,y),z)(XY)Zに対して,
(aX,Y,Z((fg)h))(((x,y),z))=aX,Y,Z(((fg)h)(((x,y),z)))=aX,Y,Z(((fg)((x,y)),h(z)))(定義 1)=aX,Y,Z(((f(x),g(y)),h(z)))(定義 1)=(f(x),(g(y),h(z)))(定義 3)=(f(x),(gh)((y,z)))(定義 1)=(f(gh))((x,(y,z)))(定義 1)=(f(gh))(aX,Y,Z(((x,y),z)))(定義 3)=(f(gh))aX,Y,Z)(((x,y),z)),
だから,aX,Y,Z((fg)h)=(f(gh))aX,Y,Zである:
(XY)ZaX,Y,Z(fg)hX(YZ)f(gh)(XY)ZaX,Y,ZX(YZ)

(Set,,I,a,l,r)が命題 1, (2) をみたすこと

写像f:XYを任意に取る.任意の(,x)IXに対して,
(lY(1If))((,x))=lY((1If)((,x)))=lY((1I(),f(x)))(定義 1)=lY((,f(x)))=f(x)(定義 4, (1))=f(lX((,x)))(定義 4, (1))=(flX)((,x)),
だから,lY(1If)=flXである:
IXlX1IfXfIYlYY

(Set,,I,a,l,r)が命題 1, (3) をみたすこと

写像f:XYを任意に取る.任意の(x,)XIに対して,
(rY(f1I))((x,))=rY((f1I)((x,)))=rY((f(x),1I()))(定義 1)=rY((f(x),))=f(x)(定義 4, (2))=f(rX((x,)))(定義 4, (2))=(frX)((x,)),
だから,rY(f1I)=frXである:
XIrXf1IXfYIrYY

(Set,,I,a,l,r)が命題 1, (4) をみたすこと

集合XYZWを任意に取る.任意の(((w,x),y),z)((WX)Y)Zに対して,
((1WaX,Y,Z)aW,XY,Z(aW,X,Y1Z))((((w,x),y),z))=(1WaX,Y,Z)(aW,XY,Z((aW,X,Y1Z)((((w,x),y),z))))=(1WaX,Y,Z)(aW,XY,Z((aW,X,Y(((w,x),y)),1Z(z))))(定義 1)=(1WaX,Y,Z)(aW,XY,Z((aW,X,Y(((w,x),y)),z)))=(1WaX,Y,Z)(aW,XY,Z(((w,(x,y)),z)))(定義 3)=(1WaX,Y,Z)((w,((x,y),z)))(定義 3)=(1W(w),aX,Y,Z(((x,y),z)))(定義 1)=(w,aX,Y,Z(((x,y),z)))=(w,(x,(y,z)))(定義 3)=aW,X,YZ((w,x),(y,z))(定義 3)=aW,X,YZ(aWX,Y,Z((((w,x),y),z)))(定義 3)=(aW,X,YZaWX,Y,Z)((((w,x),y),z)),
だから,等式
(1WaX,Y,Z)aW,XY,Z(aW,X,Y1Z)=aW,X,YZaWX,Y,Z
が成立する.すなわち,以下の図式は可換である:
(WX)(YZ)aW,X,YZ((WX)Y)ZaW,X,Y1ZaWX,Y,ZW(X(YZ))(W(XY))ZaW,XY,ZW((XY)Z)1WaX,Y,Z

(Set,,I,a,l,r)が命題 1, (5) をみたすこと

集合XYを任意に取る.定義 2 よりI={}だから,
(XI)Y={((x,i),y):xX,iI,yY}={((x,i),y):xX,i{},yY}={((x,),y):xX,yY},
である.任意の((x,),y)(XI)Yに対して,
(rX1Y)(((x,),y))=(rX((x,)),1Y(y))=(rX((x,)),y)=(x,y)(定義 4, (2))=(1X(x),y)=(1X(x),lY((,y)))(定義 4, (1))=(1XlY)((x,(,y)))(定義 1)=(1XlY)(aX,I,Y(((x,),y)))(定義 3)=((1XlY)aX,I,Y)(((x,),y)),
だから,rX1Y=(1XlY)aX,I,Yである:
(XI)YaX,I,YrX1YX(IY)1XlYXY

従って,命題 1 より(Set,,I,a,l,r)がモノイダル圏であることが示された.以下では,このモノイダル圏をSetと略記する.

集合の圏は対称モノイダル圏である

第1回の記事で,積と終対象をもつ圏が自然なモノイダル構造をもつことについて言及したが,実は命題 2 で与えたSet上のモノイダル構造は,Setの積と終対象から自然に定まるモノイダル構造に一致している.

積と終対象をもつ圏Cに対して自然に定まるモノイダル構造は「対称性」をもつことが知られている.本節では,Set上のモノイダル構造(,I,a,l,r)が「対称性」をもつことを示す.

対称モノイダル圏の定義

対称性

V=(V,,I,a,l,r)をモノイダル圏とする.V対称性 (symmetry) cとは,Vの射の族{cX,Y:XYYX}X,YVであって,以下をみたすもののことをいう:
(1) Vでの任意の射f:XXg:YYに対して,cX,Y(fg)=(gf)cX,Yである:
XYcX,YfgYXgfXYcX,YYX

  1. 任意のX,YVに対して,cY,XcX,Y=1XYである:
    XYcX,Y1XYYXcY,XXY

  2. 任意のX,Y,ZVに対して,(1YcX,Z)aY,X,Z(cX,Y1Z)=aY,Z,XcX,YZaX,Y,Zである:
    (XY)ZaX,Y,ZcX,Y1ZX(YZ)cX,YZ(YZ)XaY,Z,X(YX)ZaY,X,ZY(XZ)1YcX,ZY(ZX)

  3. 任意のXVに対して,lX=rXcI,Xである:
    IXcI,XlXXIrXX

対称モノイダル圏とは,対称を備えたモノイダル圏のことである:

モノイダル圏V=(V,,I,a,l,r)V上の対称性cの組(V,c)対称モノイダル圏 (symmetric monoidal category) とよぶ.対称モノイダル圏(V,c)Vと略記して,(,I,a,l,r,c)V上の対称モノイダル構造 (symmetric monoidal structure) とよぶ.

集合の圏は対称モノイダル圏である

集合XYに対して,XYからYXへの写像cX,Yを,各(x,y)XYに対して,cX,Y((x,y)):=(y,x)で定めて,写像の族cc:={cX,Y}X,YSetで定める.

Set=(Set,,I,a,l,r)を命題 2 で定めたモノイダル圏とするとき,組(Set,c)は対称モノイダル圏である.すなわち,組(,I,a,l,r,c)(Set,c)上の対称モノイダル構造である.

以下ではcSet上の対称性であることを示すことで,命題 3 を証明する.

cが定義 6, (1) をみたすこと

写像f:XXg:YYを任意に取る.任意の(x,y)XYに対して,
(cX,Y(fg))((x,y))=cX,Y((fg)((x,y)))=cX,Y((f(x),g(y)))(定義 1)=(g(y),f(x))(定義 8)=(gf)((y,x))(定義 1)=(gf)(cX,Y((x,y)))(定義 8)=((gf)cX,Y)((x,y)),
だから,cX,Y(fg)=(gf)cX,Yである:
XYcX,YfgYXgfXYcX,YYX

cが定義 6, (2) をみたすこと

集合XYを任意に取る.任意の(x,y)XYに対して,
(cY,XcX,Y)((x,y))=cY,X(cX,Y((x,y)))=cY,X((y,x))(定義 8)=(x,y)(定義 8)=1XY(x,y),
だから,cY,XcX,Y=1XYである:
XYcX,Y1XYYXcY,XXY

cが定義 6, (3) をみたすこと

集合XYZを任意に取る.任意の((x,y),z)(XY)Zに対して,
((1YcX,Z)aY,X,Z(cX,Y1Z))(((x,y),z))=(1YcX,Z)(aY,X,Z(cX,Y1Z)(((x,y),z)))=(1YcX,Z)(aY,X,Z((cX,Y((x,y)),1Z(z))))(定義 1)=(1YcX,Z)(aY,X,Z((cX,Y((x,y)),z)))=(1YcX,Z)(aY,X,Z(((y,x),z)))(定義 8)=(1YcX,Z)((y,(x,z)))(定義 3)=(1Y(y),cX,Z((x,z)))(定義 1)=(y,cX,Z((x,z)))=(y,(z,x))(定義 8)=aY,Z,X(((y,z),x))(定義 3)=aY,Z,X(cX,YZ((x,(y,z))))(定義 8)=aY,Z,X(cX,YZ(aX,Y,Z(((x,y),z))))(定義 3)=(aY,Z,XcX,YZaX,Y,Z)(((x,y),z)),
だから,(1YcX,Z)aY,X,Z(cX,Y1Z)=aY,Z,XcX,YZaX,Y,Zである:
(XY)ZaX,Y,ZcX,Y1ZX(YZ)cX,YZ(YZ)XaY,Z,X(YX)ZaY,X,ZY(XZ)1YcX,ZY(ZX)

cが定義 6, (4) をみたすこと

集合Xを任意に取る.任意の(,x)IXに対して,
lX((,x))=x(定義 4, (1))=rX((x,))(定義 4, (2))=rX(cI,X((,x)))(定義 8)=(rXcI,X)((,x)),
だから,lX=rXcI,Xである:
IXcI,XlXXIrXX

従って,cSet上の対称性であり,(Set,c)が対称モノイダル圏であることが示された.以下では,この対称モノイダル圏をSetと略記する.

集合の圏は対称モノイダル閉圏である

ここでは,第2回の目標であった,集合の圏が「対称モノイダル閉圏」をなすことを証明する.対称モノイダル閉圏とは,対称モノイダル圏かつ「閉モノイダル圏」であるようなモノイダル圏のことを指す.

閉モノイダル圏を定義する前に,随伴について述べておく.

随伴

F,G:CDを関手として,α:FGを自然変換とする.
(1) H:DDを関手とする.HF:CDからHG:CDへの自然変換Hαを,各XCに対して,(HF)X=H(FX)から(HG)X=H(GX)へのDでの射(Hα)X(Hα)X:=H(αX)とすることで定める.
(2) E:CCを関手とする.FE:CDからGE:CDからへの自然変換αEを,各XCに対して,(FE)X=F(EX)から(GE)X=G(EX)へのDでの射(αE)X(αE)X:=αEXとすることで定める.

F,G:CDを関手として,α:FGを自然変換として,H:DDE:CCを関手とする.

このとき,HαHFからHGへの自然変換であり,αEFEからGEへの自然変換である.

実際,Cでの射f:XYを任意に取るとき,α:FGが自然変換であることからαYF(f)=G(f)αXであり,H:CDが関手であることからH(αY)H(F(f))=H(αYF(f))かつH(G(f)αX)=H(G(f))H(αX)であり,

(Hα)Y(HF)(f)=H(αY)H(F(f))=H(αYF(f))=H(G(f)αX)=H(G(f))H(αX)=H(G(f))(Hα)X=(HG)(f)(Hα)X,
である:
(HF)X(Hα)X(HF)(f)(HG)X(HG)(f)(HF)Y(Hα)Y(HG)Y

また,Cでの射f:XYを任意に取るとき,α:FGが自然変換であることからαEYF(E(f))=G(E(f))αEXであり,
(αE)Y(FE)(f)=(αE)YF(E(f))=αEYF(E(f))=G(E(f))αEX=G(E(f))(αE)X=(GE)(f)(αE)X,
である:
(FE)X(αE)X(FE)(f)(GE)X(GE)(f)(FE)Y(αE)Y(GE)Y

随伴の定義

随伴

F:CDG:DCを関手とする.自然変換η:1CGFϵ:FG1Dの組(η,ϵ)FGの間の随伴 (adjunction) であるとは,(ϵF)(Fη)=1Fかつ(Gϵ)(ηG)=1Gであることをいう.

FGの間の随伴(η,ϵ)に対して,η(η,ϵ)単位 (unit) とよび,ϵ(η,ϵ)余単位 (counit) とよぶ.このとき,FG(η,ϵ)に関する左随伴 (left adjoint) であり,GF(η,ϵ)に関する右随伴 (right adjoint) であるという.

F:CDG:DCを関手とする.GF左随伴としてもつ,またはFG右随伴としてもつとは,FGの間の随伴が存在することをいう.

随伴の定義 (定義 10) の解説

F:CDG:DCを関手とする.このとき,CからCへの関手GFDからDへの関手FGが定まる.η1CXから(GF)XへのCでの射ηX (XC) の族{ηX:1CX(GF)X}XCとして,ϵ(FG)Zから1DZ へのDでの射ϵZ (ZD) の族{ϵZ:(FG)Z1DZ}ZDとする.

XCに対して,1CX=Xかつ(GF)X=G(FX)だから,ηXXからG(FX)へのCでの射である.η1CからGFへの自然変換であるとは,Cでの任意の射f:XXに対して,ηX1C(f)=(GF)(f)ηXであることである.Cでの射f:XXに対して,1C(f)=fかつ(GF)(f)=G(F(f))だから,これは,Cでの任意の射f:XXに対して,ηXf=G(F(f))ηXであることと同値である:
XηXfG(FX)G(F(f))XηXG(FX)

ZDに対して,1DZ=Zかつ(FG)Z=F(GZ)だから,ϵZF(GZ)からZへのDでの射である.ϵFGから1Dへの自然変換であるとは,Dでの任意の射h:ZZに対して,ϵZ(FG)(h)=1D(h)ϵZであることである.Dでの射h:ZZに対して,1D(h)=hかつ(FG)(h)=F(G(h))だから,これは,Dでの任意の射h:ZZに対して,ϵZF(G(h))=hϵZであることと同値である:
F(GZ)ϵZF(G(h))ZhF(GZ)ϵZZ

以下では,η:1CGFϵ:FG1Dを自然変換とする.

このとき,(FG)F:CDから1DF:CDへの自然変換ϵFが定まり,F1C:CDからF(GF):CDへの自然変換Fηが定まる.命題 2.a.1 よりF1C=Fかつ1DF=Fであり,命題 2.a.2 よりF(GF)=(FG)F=FGFだから,ϵFFηの垂直合成(ϵF)(Fη)FからFへの自然変換として定まる.
(ϵF)(Fη)=1Fであるということは,以下の図式が可換であるということを意味している:
FFη1FFGFϵFF

一方で,G(FG):DCからG1D:DCへの自然変換Gϵが定まり,1CG:DCから(GF)G:DCへの自然変換ηGが定まる.命題 2.a.1 よりG1D=Gかつ1CG=Gであり,命題 2.a.2 より(GF)G=G(FG)=GFGだから,GϵηGの垂直合成(Gϵ)(ηG)GからGへの自然変換として定まる.
(Gϵ)(ηG)=1Gであるということは,以下の図式が可換であるということを意味している:
GηG1GGFGGϵG

H,G,F:CDを関手とする.自然変換β:GHα:FGγ:FHに対して,以下は同値である:
(1) γ=βαである:
FαγGβH

  1. 任意のXCに対して,γX=βXαXである:
    FXαXγXGXβXHX

(1)(2): (1) が成り立つならば,任意のXCに対して,γX=(βα)X=βXαXだから,(2) が成り立つ.
(2)(1): (2) が成り立つならば,任意のXCに対して,γX=βXαX=(βα)Xだから,(1) が成り立つ.

XCに対して,定義 10 より(ϵF)X(Fη)X=ϵFX(Fη)X=ϵFXF(ηX)であり,(1F)X=1FXだから,(ϵF)(Fη)=1Fであるということは,補題 4 より任意のXCに対してϵFXF(ηX)=1FXが成り立つことと同値である:
FXF(ηX)1FX(FGF)XϵFXFX

また,各ZDに対して,定義 10 より(Gϵ)Z(ηG)Z=G(ϵZ)ηGZであり,(1G)Z=1GZだから,(Gϵ)(ηG)=1Gであるということは,補題 4 より任意のZDに対してG(ϵZ)ηGZ=1GZが成り立つことと同値である:
GZηGZ1GZ(GFG)ZG(ϵZ)GZ

以上の議論から,随伴の定義 (定義 10) は以下のように書き換えられる:

F:CDG:DCを関手とする.Cでの射ηX:XG(FX) (XC) とDでの射ϵZ:F(GZ)Z (ZD) に対して,写像の族ηϵη:={ηX}XCϵ:={ϵZ}ZDで定めるとき,組(η,ϵ)FGの間の随伴であることは,以下が成立することと同値である:

  1. Cでの任意の射f:XXに対して,ηXf=G(F(f))ηXである:
    XηXfG(FX)G(F(f))XηXG(FX)

  2. Dでの任意の射h:ZZに対して,ϵZF(G(h))=hϵZである:
    F(GZ)ϵZF(G(h))ZhF(GZ)ϵZZ

  3. 任意のXCに対して,ϵFXF(ηX)=1FXである:
    FXF(ηX)1FX(FGF)XϵFXFX

  4. 任意のZDに対してG(ϵZ)ηGZ=1GZである:
    GZηGZ1GZ(GFG)ZG(ϵZ)GZ

閉モノイダル圏の定義

閉モノイダル圏,対称モノイダル閉圏

V=(V,,I,a,l,r)をモノイダル圏とする.
(1) V閉モノイダル圏 (closed monoidal category) であるとは,任意のYVに対して,Vでの射GY:VVが存在して,YGYを右随伴としてもつことをいう.
(2) Vの対称性cに対して,組(V,c)対称モノイダル閉圏 (symmetric monoidal closed category) であるとは,Vが閉モノイダル圏であることをいう.このとき,V上の対称モノイダル構造(,I,a,l,r,c)V上の対称モノイダル閉構造 (symmetric monoidal closed structure) とよぶ.

集合の圏は対称モノイダル閉圏である

集合Yを任意に取る.

SetからSetへの関手GYを以下で定義する:
(1) 集合Zに対して,集合(GY)Z(GY)Z:=Set(Y,Z)で定める.
(2) 写像h:ZZに対して,(GY)Z=Set(Y,Z)から(GY)Z=Set(Y,Z)への写像(GY)(h)を,各gSet(Y,Z)に対して,((GY)(h))(g):=hgで定める.

GYSetからSetへの関手である.

実際,集合Zを任意に取るとき,任意のg(GY)Xに対して,((GY)(1Z))(g)=1Zg=g=1Set(Y,Z)(g)だから,(GY)(1Z)=1Set(Y,Z)である.

また,写像h:ZZh:ZZを任意に取るとき,任意のg(GY)Zに対して,
((GY)(hh))(g)=(hh)g=h(hg)=((GY)(h))(hg)=((GY)(h))(((GY)(h))(g))=((GY)(h)(GY)(h))(g),
だから,(GY)(hh)=(GY)(h)(GY)(h)である.

XZを集合とする.
(GY)((Y)X)=(GY)((X,Y))(定義 2.a.11, (2))=(GY)(XY)=Set(Y,XY)(定義 13)
であり,
(Y)((GY)Z)=(Y)(Set(Y,Z))(定義 13)=(Set(Y,Z),Y)(定義 13)=Set(Y,Z)Y,
である.
(1) Xから(GY)((Y)X)=Set(Y,XY)への写像(ηY)Xを,各xXyYに対して,(((ηY)X)(x))(y):=(x,y)で定義する.
(2) (Y)((GY)Z)=Set(Y,Z)YからZへの写像(ϵY)Zを,各(g,y)Set(Y,Z)Yに対して,(ϵY)Z((g,y)):=g(y)で定義する.

写像の族ηYϵYをそれぞれηY:={(ηY)X:X(GY)((Y)X)}XSetϵY:={(ϵY)Z:(Y)((GY)Z)Z}ZSetで定める.

(ηY,ϵY)YGYの間の随伴である.

(ηY,ϵY)が命題 5, (1) をみたすこと

写像f:XXを任意に取る.任意のxXyYに対して,
(((ηY)Xf)(x))(y)=((ηY)X(f(x)))(y)=(f(x),y)(定義 14, (1))=(f(x),1Y(y))=(f1Y)((x,y))(定義 1)=(((f,1Y)))((x,y))=((Y)(f))((x,y))(定義 2.a.11, (2))=((Y)(f))(((ηY)X(x))(y))(定義 14, (1))=((Y)(f)(ηY)X(x))(y)=((GY)((Y)(f))((ηY)X(x)))(y)(定義 13)=(((GY)((Y)(f))(ηY)X)(x))(y),
だから,(ηY)Xf=(GY)((Y)(f))(ηY)Xである:
X(ηY)Xf(GY)((Y)X)(GY)((Y)(f))X(ηY)X(GY)((Y)X)

(ηY,ϵY)が命題 5, (2) をみたすこと

写像h:ZZを任意に取る.任意の(g,y)(Y)((GY)Z)に対して,
((ϵY)Z(Y)((GY)(h)))((g,y))=(ϵY)Z(((Y)((GY)(h)))((g,y)))=(ϵY)Z(((((GY)(h),1Y)))((g,y)))(定義 2.a.11, (2))=(ϵY)Z(((GY)(h)1Y)((g,y)))=(ϵY)Z((((GY)(h))(g),1Y(y)))(定義 1)=(ϵY)Z((((GY)(h))(g),y))=(ϵY)Z((hg,y))(定義 13)=(hg)(y)(定義 14, (2))=h(g(y))=h((ϵY)Z((g,y)))(定義 14, (2))=(h(ϵY)Z)((g,y)),
だから,(ϵY)Z(Y)((GY)(h))=h(ϵY)Zである:
(Y)((GY)Z)(ϵY)Z(Y)((GY)(h))Zh(Y)((GY)Z)(ϵY)ZZ

(ηY,ϵY)が命題 5, (3) をみたすこと

集合Xを任意に取る.任意の(x,y)(Y)Xに対して,
((ϵY)(Y)X(Y)((ηY)X))((x,y))=(ϵY)(Y)X(((Y)((ηY)X))((x,y)))=(ϵY)(Y)X(((((ηY)X,1Y)))((x,y)))(定義 2.a.11, (2))=(ϵY)(Y)X(((ηY)X1Y)((x,y)))=(ϵY)(Y)X(((ηY)X(x),1Y(y)))(定義 1)=(ϵY)(Y)X(((ηY)X(x),y))=((ηY)X(x))(y)(定義 14, (2))=(x,y)(定義 14, (1))=1(Y)X((x,y)),
だから,(ϵY)(Y)X(Y)((ηY)X)=1(Y)Xである:
(Y)X(Y)((ηY)X)1(Y)X((Y)(GY)(Y))X(ϵY)(Y)X(Y)X

(ηY,ϵY)が命題 5, (4) をみたすこと

集合Zを任意に取る.任意のg(GY)(Z)yYに対して,
(((GY)((ϵY)Z)(ηY)(GY)Z)(g))(y)=(((GY)((ϵY)Z))((ηY)(GY)Z(g)))(y)=((ϵY)Z(ηY)(GY)Z(g))(y)(定義 13)=(ϵY)Z(((ηY)(GY)Z(g))(y))=(ϵY)Z((g,y))(定義 14, (1))=g(y)(定義 14, (2))=(1(GY)Z(g))(y),
だから,(GY)((ϵY)Z)(ηY)(GY)Z=1(GY)Zである:
(GY)Z(ηY)(GY)Z1(GY)Z((GY)(Y)(GY))Z(GY)((ϵY)Z)(GY)Z

従って,命題 5 より,(ηY,ϵY)YGYの間の随伴であることが示されたので,補題 6 の証明が完了した.

Set=(Set,c)を命題 3 で定めた対称モノイダル圏とするとき,Setは対称モノイダル閉圏である.

任意の集合Yに対して,補題 6 よりYGYの間の随伴(ηY,ϵY)が取れるので,定義 11 よりYGYを右随伴としてもち,定義 12, (1) よりSetは閉モノイダル圏であり,定義 12, (2) よりSet=(Set,c)は対称モノイダル閉圏である.

まとめ

この記事では,Setがモノイダル圏であることを示して,対称モノイダル圏を定義して,Setが対称モノイダル圏であることを示して,随伴とそれに関連する概念を定義して,閉モノイダル圏及び対称モノイダル閉圏を定義して,Setが対称モノイダル圏であることを示した.
次の記事では,モノイダル圏Vに対して「V-圏」や「V-関手」などを定義する.豊穣圏の理論は非常に複雑だが,豊穣圏自体は通常の圏の自然な拡張であり,Set上の豊穣圏ともよばれる「Set-圏」は通常の圏と対等な概念である.

追記

  • 2022/2/24 11:28 定義 9 と定義 10 が重複していたので,定義 10 を削除した.
  • 2022/2/26 14:59 参考文献に第3回の記事 [ 7 ] を加えた.
  • 2022/3/3 23:04 参考文献に第4回 (前半) の記事 [ 8 ] を加えた.
  • 2022/3/3 23:04 参考文献に第4回 (後半) (1) の記事 [ 9 ] を加えた.
  • 2022/3/3 23:37 参考文献に第4回 (後半) (2) の記事 [ 10 ] を加えた.
  • 2022/3/3 23:37 §1 の一部を削除した.

参考文献

投稿日:2022223
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  1. 導入
  2. 集合の圏はモノイダル圏である
  3. 準備
  4. 関手$\otimes$と集合$I$の構成
  5. 全単射$a_{X,Y,Z}$$l_X$$r_X$の構成
  6. 集合の圏はモノイダル圏をなす
  7. 集合の圏は対称モノイダル圏である
  8. 対称モノイダル圏の定義
  9. 集合の圏は対称モノイダル圏である
  10. $c$が定義 6, (1) をみたすこと
  11. $c$が定義 6, (2) をみたすこと
  12. $c$が定義 6, (3) をみたすこと
  13. $c$が定義 6, (4) をみたすこと
  14. 集合の圏は対称モノイダル閉圏である
  15. 随伴
  16. 閉モノイダル圏の定義
  17. 集合の圏は対称モノイダル閉圏である
  18. まとめ
  19. 追記
  20. 参考文献