Die Kategorientheorie, oder kategorielle Algebra, ist ein Zweig der Mathematik, der sich Anfang der 1940er Jahre zuerst im Rahmen der Topologie entwickelte; MacLane nennt seine 1945 gemeinsam mit Eilenberg entstandene »General Theory of Natural Equivalences« (in Trans. Amer. Math. Soc., 58, 1945) die erste explizit kategorientheoretische Arbeit. Die Grundbegriffe dieser Arbeit sind Kategorie, Funktor und natürliche Transformation. Um den letzteren Begriff zu präzisieren, wurden die anderen eingeführt.
Die Kategorientheorie kann verstanden werden als ein "Jargon" zum Ausdrücken verschiedener mathematischer Theorien. Viele Theorien betrachten Mengen mit einer zusätzlichen Struktur, z.B. eine Topologie, eine Ordnung oder eine oder mehrere Verknüpfungen (Gruppe, Ring, Algebra). Dazu werden häufig Abbildungen zwischen solchen Objekten untersucht, die diese Struktur "respektieren": z.B. stetige, monotone oder lineare Funktionen. Die Kategorientheorie betrachtet nun nur die Begriffe "Objekt" und "Abbildung", sie abstrahiert also von der konkreten Struktur. Dadurch ermöglicht sie es, Beweistechniken, Konzepte und Ergebnisse unterschiedlicher Teildisziplinen der Mathematik zusammen zu führen. Zudem erleichtern die übergeordneten Begriffe das Erlernen neuer Theorien.
Ursprünglich der algebraischen Topologie entstammend, hat die Sprache der Kategorien in vielen Bereichen der Mathematik Eingang gefunden. Es ist grundsätzlich möglich, die Mengenlehre, mithin die gesamte restliche Mathematik, in speziellen Kategorien, den Topoi, auszudrücken. Da der Begriff Morphismus ohne die Notation der Mengenlehre verwendet wird, bietet die Kategorientheorie eine weitreichende Verallgemeinerung des Funktionenbegriffs, die sie auch für computerwissenschaftliche Disziplinen wie die Algorithmik interessant macht.
Eine Kategorie besteht aus zwei Teilen: zum einen eine Klasse von Objekten und zum anderen eine Klasse von
Pfeilen (oder Morphismen) zwischen diesen Objekten. Die Morphismen müssen verknüpfbar sein, und die Verknüpfung muss assoziativ sein. Es gibt noch ein paar weitere weniger starke Bedingungen, deshalb hier die ganz exakte Definition (Verknüpfung von Morphismen ist im folgenden durch den "Kringel"
○ dargestellt):
1. Zu jedem Morphismus f gibt es zwei Objekte, die Quelle oder Domain,
und das Ziel (Codomain),
(können zusammenfallen).
2. Zu jedem Objekt A gibt es (genau) einen Morphismus id(A) dessen Quelle und Ziel gleich A ist und der neutral bezüglich der Komposition ist:
(Identität)
3. Komposition: Zu jedem Paar von Morphismus f, g mit
gibt es (genau) einen Morphismus
mit
1.
und
2. Die Komposition ist assoziativ, d.h., soweit definiert, gilt
4. Für je zwei Objekte A und B ist die Klasse der Morphismen von A nach B eine Menge.
Beispiele für Kategorien sind:
ist die Kategorie mit Mengen als Objekten und Abbildungen als Morphismen.
,_ die Kategorie der topologischen Räume (Objekte) mit den stetigen Abbildungen (Morphismen). Eine wichtige Unterkategorie ist
,_ die Kategorie der Hausdorffräume mit stetigen Abbildungen.
die Kategorie der normierten linearen Räume mit den stetigen (=beschränkten) linearen Abbildungen. Unterkategorien sind z.B.:
die Banachräume mit stetigen linearen Abbildungen,
die Banachräume mit stetigen normreduzierenden Abbildungen und
kommutative komplexe Banachalgebren mit Einheit und normreduzierenden Algebrenhomomorphismen.
Jeder Graph läßt sich durch eine Menge X (Knoten) und eine (reflexive) Relation R (Kanten) beschreiben. Indem man die Knoten als Objekte und die Kanten als Morphismen definiert (Verknüpfung "pfadweise"), erhält man aus jedem Graphen eine Kategorie.
Eine Menge mit einer Halbordnung
bildet eine Kategorie: Objekte sind die Elemente der Menge, ein Morphismus
existiere genau dann, wenn a≤ b.
ein Beispiel aus der Informatik ist
,_ die Menge aller in einer vorgegebenen Programmiersprache verfügbaren Datentypen als Objekte und die Funktionen als Morphismen. Ein verwandtes Beispiel sind die XML-Dokumente als Objekte und XSL-Transformationen als Morphismen.
Isomorphie
Ein Kernbegriff der Kategorientheorie ist die Isomorphie. Ein Morphismus heißt Isomorphismus, wenn er eine linke und eine rechte Inverse besitzt. Zwei Objekte heißen isomorph, wenn es einen Isomorphismus zwischen ihnen gibt.
Bei der Untersuchung von Kategorien sucht man häufig nach Eigenschaften, die von Isomorphismen erhalten werden, so genannte "Invarianten". Beispiele für Invarianten in
sind Abzählbarkeitseigenschaften (1. bzw. 2. Abzählbarkeitsaxiom), Trennungseigenschaften (T0,T1, Hausdorff, regulär, vollständig regulär, normal), Zusammenhangseigenschaften (zusammenhängend, pfadzusammenhängend) und Kompaktheit. Ein Beispiel für eine Invariante in
ist "enthält einen zum Hilbertraum isomorphen Unterraum". Eine Invariante in
Von Interesse sind auch Techniken zum Nachweis der Isomorphie. Es gilt in jeder Kategorie: T ist Isomorphismus genau dann wenn eine (und damit alle) der folgenden Bedingungen erfüllt ist.
Kat läßt sich wie folgt eine entgegengesetzte Kategorie coKat zuordnen:
Die Objekte von coKat sind die Objekte von Kat
Die Morphismen von
zweier Objekte A, B von coKat sind die Morphismen
aus der Kategorie Kat.
Die Komposition
zweier Morphismen f,g aus coKat ist definiert durch die Komposition
in Kat.
Die entgegengesetzte Kategorie von
zeigt, dass es Kategorien gibt, deren Objekte auf Mengen basieren, deren Morphismen jedoch keine Funktionen sein müssen.
Viele kategorientheoretische Begriffe erlangen eine entgegengesetzte Bedeutung, indem man den Begriff in der entgegengesetzten Kategorie betrachtet. So ist jeder Epimorphismus ein Monomorphismus in der entgegengesetzten Kategorie. Weitere Begriffspaare sind:
Isomorphismus ist ein "selbst-entgegengesetzter" Begriff.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Systematik wird für den entgegengesetzten Begriff häufig die Vorsilbe co- verwendet.
Kategorien als Objekte einer Kategorie
Eine Kategorie heißt klein, wenn die Klasse ihrer Objekte eine Menge ist. Mittels der kleinen Kategorien ist die Kategorie
erklärt: Die Objekte sind die Klasse der kleinen Kategorien und die Morphismen sind die Funktoren. Ein Funktor F ordnet jedem Objekt der einen Kategorie ein Objekt der anderen Kategorie zu und zudem ordnet der Funktor jedem Morphismus der einen Kategorie einen Morphismus der anderen Kategorie zu, wobei die Struktur der Verknüpfung erhalten werden muss:
Die Beschränkung auf kleine Kategorien ist nötig, um Paradoxien aufzulösen, die beim Betrachten von Klassen von Klassen auftreten können.
Von Interesse sind auch in der Kategorie
die Strukturen, die von den Funktoren respektiert werden. Jeder Funktor erhält Identitäten, Isomorphismen, Schnitte und Retraktionen.
Ein Beispiel: Durch
wo jeder Menge A die Menge
zugeordnet und jeder Funktion
die Funktion
zugeordnet wird, wird der Binär-Funktor definiert. Er repräsentiert eine Struktur der Objekte, die diese haben können, nämlich Paare. Da in der Kategorientheorie von der konkreten Struktur der Objekte abstrahiert wird, sind Funktoren ein Werkzeug, um Objekten eine Struktur zu verschaffen.
Funktoren als Objekte einer Kategorie, natürliche Transformationen
Es ist auch möglich - und aus historischer Sicht wurde die Kategorientheorie zum Studium solcher Situationen entwickelt - mittels der Funktoren zwischen zwei Kategorien eine Kategorie zu definieren:
Als Objekte nimmt man die Funktoren zwischen zwei Kategorien
KatA und KatB. Ein Morphismus zwischen zwei Funktoren F und G ist eine Funktion
mit folgenden Eigenschaften:
1. Jedem Objekt A aus KatA wird ein Morphismus a(A) von F(A) nach G(A) zugeordnet.
2. Für jeden Morphismus
aus KatA gilt:
Die so definierten Morphismen heißen natürliche Transformationen oder Funktor-Morphismen. Die Verknüpfung zweier solcher natürlicher Transformationen
a,b kann man durch Verknüpfung der Funktionen
definieren, eine andere Verknüpfung ist aber auch denkbar.
Wenn wir wie oben Funktoren als Werkzeug zum Definieren von Strukturen betrachten, dann ist ein natürliche Transformation zu sehen als eine Umformung der Struktur. Die obige zweite Bedingung legt dabei die Bedingung an diese Umformung fest: "Das Umformen der Struktur muss verträglich sein mit der Anwendung von Morphismen auf die unterliegenden Objekte".
Ein Beispiel für eine natürliche Transformation ist
(Bin ist der binäre Funktor auf
,_ siehe vorigen Abschnitt). Diese Transformation ist so definiert: Für jede Menge A definieren wir einen Morphismus swap(A) auf
durch
Adjunktion
Zentrale Studienobjekte der Kategorientheorie und deren Anwendungen sind die Adjunktionen. Dabei geht es um folgende häufig auftretende Problemstellung: Gegeben sei ein Funktor
F von der Kategorie KatA in die Kategorie KatB und ein Objekt B aus KatB. Gesucht ist ein "Urbild" von B, also ein Objekt A aus KatA, dessen Bild F(A) das Objekt B "bestmöglich approximiert" in dem Sinne, dass es ein Morphismus
gibt, so dass jeder KatB-Morphismus
sich eindeutig darstellen läßt durch
wobei
ein KatA-Morphismus ist. Die Zuordnung B↦ A, f↦ g ist wiederum ein Funktor, genannt die rechte Adjungierte von F.
Ein paar Beispiele:
KatA sei die Menge der natürlichen Zahlen. Zwischen zwei Objekten m und n (d.h. zwischen zwei natürlichen Zahlen) bestehe ein Morphismus, wenn
._ KatB sei die Menge der nichtnegativen reellen Zahlen mit den genau wie in KatA definierten Morphismen. Wir betrachten den Einbettungsfunktor
der jeder natürlichen Zahlen die entsprechende reelle Zahl zuordnet. Die rechte Adjungierte ist gegeben durch die Abrunden-Funktion
,_ es gilt
Diese Art Adjunktion wird auch Galois-Verbindung genannt. Sie erlaubt z.B. einen eleganten Beweis der Gleichung
(Tipp zum Nachrechnen: Es gilt m = n genau dann, wenn für alle k gilt:
)
Sei KatA die Kategorie der kompakten Hausdorffräume (mit stetigen Funktionen) und KatB die Kategorie
der topologischen Räume (mit stetigen Funktionen). F sei wie im vorigen Beispiel der Einbettungsfunktor. Die rechte Adjungierte trägt den Namen Stone-Cech-Kompaktifizierung, sie macht aus jedem beliebigen topologischen Raum einen kompakten Hausdorffraum.
Es sei KatA die Kategorie der vollständigen metrischen Räume (mit stetigen Funktionen) und KatB die Kategorie der metrischen Räume (mit stetigen Funktionen). Die rechte Adjungierte zum Einbettungsfunktor beschreibt die Vervollständigung des metrischen Raumes; sie ordnet z.B. den rationalen Zahlen die reellen Zahlen zu.
Es gibt noch viele weitere wichtige Beispiele; in diesem Artikel ist weiter unten noch die rechte Adjungierte zum Produkt-Funktor beschrieben.
Hier noch die formale Definition von Adjunktion:
Seien
Funktoren, dann heißt G linke Adjungierte zu G und F heißt rechte Adjungierte zu F, falls es zwei natürliche Transformation
gibt mit
für jedes Objekt
für jedes Objekt
Das Tupel
heißt Adjunktion.
Zu Adjunktionen siehe auch den weiterführenden Artikel in der .
Universale Eigenschaften
Die Kategorientheorie versucht, Strukturen und Konzepte einzelner mathematischer Teildisziplinen nur mit Objekten und Morphismen auszudrücken. Die dabei entstehenden verallgemeinerten Begriffe sind universal, d.h. für eine Vielzahl von Kategorien verfügbar. Ein Hauptwerkzeug für die Definition universaler Konstrukte sind Grenzwerte und coGrenzwerte. In diesem Artikel gehen wir auf diese jedoch nicht ein, sondern beschränken uns auf die wichtigsten Konstruktionen.
Ein Produkt einer Familie {Ai : i aus I} von Objekten ist in der Kategorientheorie durch die eindeutige Existenz von Projektionen definiert.
Beispiele für Produkte sind in Set das kartesische Produkt, in Grp das direkte Produkt und in Top das topologische Produkt. Der dem Produkt entgegengesetzte Begriff ist Coprodukt; Beispiele hierfür sind in Set die disjunkte Vereinigung (d.h. die Vereinigung der Mengen { (a,i) : a aus Ai } über alle i aus I), in Grp die freien Produkte und in Top die topologische disjunkte Summe.
Falls es für jede endliche Familie von Objekten ein Produkt gibt, so sagt man, die Kategorie hat endliche Produkte. Falls es für jede Familie von Objekten einer kleinen Kategorie ein Produkt gibt, dann ist die Kategorie isomorph zu einem vollständigen Verband. Set, Top und Grp haben (beliebige) Produkte.
Falls in einer Kategorie mit endlichen Produkten jeder Produktfunktor - x X linksadjungiert ist, wenn also m.a.W. jedes Xexponentiell ist, heißt die Kategorie
kartesisch abgeschlossen. Manche sprechen auch von der Existenz natürlicher Funktionenräume. Top ist nicht kartesisch abgeschlossen, aber alle kompakt erzeugten topologischen Räume X sind es (d.h. alle Räume, die final bezüglich der Inklusionen der kompakten Teilmengen von X sind, insbesondere alle pseudometrischen und alle lokalkompakten Räume). Die exponentiellen Objekte in Top sind in Verallgemeinerung lokaler Kompaktheit als so genannte quasilokalkompakte Räume charakterisiert.
In kartesisch abgeschlossenen Kategorien wird häufig folgende Konstruktion verwendet. Zu einem Objekt X betrachtet man die Menge aller Morphismen von X in einen besonderen Raum Q. Häufig wird Q sehr einfach gewählt: in Set betrachtet man Q = {0,1}, in BanSp1 wählt man oft als Q die reellen Zahlen und in CBanAlg nimmt man die komplexen Zahlen. Der so entstandene Funktionenraum X * wird häufig Dualraum genannt. Der Funktor, der jedem Objekt X das X * zuordnet und jedem Morphismus f: X->Y den Morphismus f *: Y *->X * vermöge f *(l):= l o f zuordnet, wird dualer Funktor, adjungierter Funktor oder exponentieller Funktor genannt, wobei jeder dieser Namen auch eine andere Bedeutung hat.
Diese Konstruktion ermöglicht es, Fragen an ein Objekt X in Fragen an das Objekt X* zu transformieren, die dann manchmal leichter zu beantworten sind. Besonders komfortabel sind die reflexiven Objekte, wo (X*)*=X gilt.
Equalizer, Kernel
Weitere universale Begriffe
pushbacks, pullouts,
Unterkategorien, Reflektionen und Coreflektionen
Die Morphismen von X nach Y in einer Kategorie K bilden eine Menge, die man Mor(X,Y) oder K(X,Y) notiert. Sind alle Objekte und Morphismen einer Kategorie U auch Objekte bzw. Morphismen der Kategorie K, so nennt man U eine Unterkategorie von K. Gilt für alle Objekte X, Y in U: U(X, Y) = K(X, Y) so heist die Unterkategorie voll. So ist die Kategorie der abelschen Gruppen eine volle Unterkategorie der Kategorie der Grupppen.
Anmerkungen
Achtung: Der Begriff Kategorie kommt in der Mathematik noch einmal mit einer ganz anderen Bedeutung vor, nämlich in der Topologie (Mathematik) als Baire-Kategorie.
Die Kategorientheorie ist ein ähnlich allgemeiner Ansatz wie die universelle Algebra, freilich von ganz anderer Art.
Mathematical Subject Classification (2000): 18-XX (mit homologischer Algebra in 18Gxx)
MacLane, Saunders: Kategorien : Begriffssprache und mathematische Theorie, Berlin, 1972, vii, 295 pp. - (Categories for the Working Mathematician <1971, dt.>) vergriffen engl. Ausgabe ISBN_0-387-98403-8
Herrlich, Horst; Strecker, George E.: Category Theory. An Introduction, Boston, 1973
Ein Nachschlagewerk ist:
Borceux, Francis: Handbook of categorical algebra, 3 vol (1: Basic category theory; 2: Categories and structures; 3: Categories of sheaves). - Cambridge, 1994. (Encyclopedia of Mathematics and its Applications, 50/52) ISBN_0-521-44178-1, 0-521-44179-X, 0-521-44180-3
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