Декартово замкнуті категорії — тип категорій у математиці у яких, грубо кажучи, кожен морфізм заданий на добутку двох об'єктів можна природно ідентифікувати із морфізмом на одному із множників. Декартово замкнуті категорії особливо широко використовуються у математичній логіці і програмуванні.
З точки зору програмування декартово замкнуті категорії реалізують інкапсуляції аргументів функцій — кожен аргумент представляється об'єктом категорії і використовується як чорний ящик. Разом з тим виразності декартово замкнутих категорій цілком достатньо, щоб оперувати з функціями способом, прийнятим в λ-численні. Це робить їх природними категорного моделями типізованого λ-числення.
Означення Категорія називається декартово замкнутою, якщо вона задовольняє трьом умовам:
У є термінальний об'єкт; Будь-які два об'єкти , в мають добуток ; Для будь-яких двох об'єктів і у існує експоненційний об'єкт .
Категорія, така, що для будь-якого її об'єкта категорія об'єктів над ним є декартово замкнутою, називається локально декартово замкнутою.
Приклади декартово замкнутих категорій
Категорія множин природним чином є декартово замкнутою категорією, оскільки функції з однієї множини в іншу утворюють множину і, отже, є об'єктом. Також в ній існують декартові добутки і термінальний об'єкт — синґлетон.
Якщо G є групою, то категорія всіх G-множин є декартово замкнутою. Якщо Y і Z є G-множинами, то ZY є множиною всіх функцій із Y у Z із дією G заданою як (g.F)(y) = g.(F(g−1.y)) для всіх g у G, F:Y → Z і y у Y.
Категорія всіх скінченних G-множин також є декартово замкнутою.
Категорія всіх малих категорій (і функторів, як морфізмів) є декартово замкнутою; експоненціалом є категорія функторів з у з натуральними перетвореннями, як морфізмами. Також існує категорія добутку і термінальний об'єкт — категорія з одного об'єкта і одного морфізма.
Елементарний топос є декартово замкнутою категорією за означенням.
Категорія топологічних просторів із неперервними відображеннями і категорія гладких многовидів із гладкими відображеннями не є декартово замкнутими. Прикладами декартово замкнутих категорій у топології є категорія компактно породжених гаусдорфових просторів і просторів Фролішера.
Алгебра Гейтінга також є стандартним прикладом декартово замкнутої категорії. Оскільки булева алгебра є її окремим випадком, вона теж завжди декартово замкнутою.
Основні побудови
Оцінювання
Згідно означення експоненційного об'єкта для об'єктів Z і Y існує морфізм оцінювання:
.
Зокрема для категорії множин цей морфізм має стандартний вигляд:
Більш загально можна побудувати часткове відображення:
Композиція
Нехай дано морфізм p : X → Y між двома об'єктами декартово замкнутої категорії. Тоді можна отримати також важливі морфізми між експоненційними об'єктами:
Для означення першого розглянемо експоненційні відображення і морфізми оцінювання: і Тоді також одержується морфізм і з універсальної властивості експоненційних об'єктів існує єдиний морфізм що задовольняє додаткові умови комутативності діаграм.
У другому випадку розглядаються функтори і Другий функтор одержується через функтор Згідно із універсальної властивості експоненційних об'єктів існує єдиний морфізм що задовольняє додаткові умови комутативності діаграм.
Для pZ також використовують позначення p* і p∘-, для Zp також p* і -∘p.
Для морфізмів оцінки можна отримати композицію
Із універсальної властивості експоненційного об'єкта звідси одержується морфізм
який називається відображенням композиції.
Для категорії множин таким чином одержується звичайна композиція відображень:
Перетини
Для морфізма p:X → Y, припустимо, що існує розшарований добуток:
де стрілка справа є pY а стрілка знизу відповідає одиничному морфізму на Y. Тоді ΓY(p) називається об'єктом перетинів p. Він часто також позначається ΓY(X).
Якщо ΓY(p) існує для всіх морфізмів p у Y, то можна ввести функтор ΓY : C/Y → C, що є правим спряженим до функтора добутків:
Експоненційний об'єкт можна також записати як:
Застосування У декартово замкнутій категорії «функція двох змінних» (морфізм ) завжди може бути представлена як «функція однієї змінної» (морфізм ). У програмуванні ця операція відома як каррінг; це дозволяє інтерпретувати просто типізоване лямбда-числення в будь-якій декартово замкнутій категорії. Декартово замкнуті категорії є категорною моделлю для типізованого -числення і комбінаторної логіки.
Відповідність Каррі — Ховарда надає ізоморфізм між інтуїціоністською логікою, просто типізованим лямбда-численням і декартово замкнутими категоріями. Певні декартово замкнуті категорії (топоси) пропонувалися як основні об'єкти альтернативних основ математики замість традиційної теорії множин.
Див. також
Експоненційний об'єкт
Література
.