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Propiedad universal

El diagrama típico de la definición de un morfismo universal.

En matemáticas , más específicamente en teoría de categorías , una propiedad universal es una propiedad que caracteriza hasta un isomorfismo el resultado de algunas construcciones. Así, las propiedades universales pueden utilizarse para definir algunos objetos independientemente del método elegido para construirlos. Por ejemplo, las definiciones de los números enteros a partir de los números naturales , de los números racionales a partir de los números enteros, de los números reales a partir de los números racionales y de los anillos de polinomios a partir del campo de sus coeficientes pueden realizarse todas en términos de propiedades universales. En particular, el concepto de propiedad universal permite una prueba sencilla de que todas las construcciones de números reales son equivalentes: basta con probar que satisfacen la misma propiedad universal.

Técnicamente, una propiedad universal se define en términos de categorías y funtores mediante un morfismo universal (véase § Definición formal, más adelante). Los morfismos universales también pueden considerarse de manera más abstracta como objetos iniciales o terminales de una categoría de coma (véase § Conexión con categorías de coma, más adelante).

Las propiedades universales se dan casi en todas partes en matemáticas, y el uso del concepto permite el uso de propiedades generales de propiedades universales para demostrar fácilmente algunas propiedades que de otra manera necesitarían verificaciones aburridas. Por ejemplo, dado un anillo conmutativo R , el campo de fracciones del anillo cociente de R por un ideal primo p puede identificarse con el campo de residuos de la localización de R en p ; es decir (todas estas construcciones pueden definirse por propiedades universales).

Otros objetos que pueden definirse por propiedades universales incluyen: todos los objetos libres , productos directos y sumas directas , grupos libres , redes libres , grupo de Grothendieck , compleción de un espacio métrico , compleción de un anillo , compleción de Dedekind-MacNeille , topologías de producto , compactificación de Stone-Čech , productos tensoriales , límite inverso y límite directo , núcleos y conúcleos , grupos cocientes , espacios vectoriales cocientes y otros espacios cocientes .

Motivación

Antes de dar una definición formal de las propiedades universales, ofrecemos alguna motivación para estudiar tales construcciones.

Definición formal

Para entender la definición de una construcción universal, es importante observar ejemplos. Las construcciones universales no se definieron de la nada, sino que se definieron después de que los matemáticos comenzaron a notar un patrón en muchas construcciones matemáticas (ver ejemplos a continuación). Por lo tanto, la definición puede no tener sentido al principio, pero se aclarará cuando se la relacione con ejemplos concretos.

Sea un funtor entre categorías y . En lo que sigue, sea un objeto de , y sean objetos de , y sea un morfismo en .

Luego, el funtor asigna , y en a , y en .

Un morfismo universal de a es un par único en el que tiene la siguiente propiedad, comúnmente denominada propiedad universal :

Para cualquier morfismo de la forma en , existe un morfismo único en tal que el siguiente diagrama conmuta :

El diagrama típico de la definición de un morfismo universal.
El diagrama típico de la definición de un morfismo universal.

Podemos dualizar este concepto categórico. Un morfismo universal de a es un par único que satisface la siguiente propiedad universal:

Para cualquier morfismo de la forma en , existe un morfismo único en tal que el siguiente diagrama conmuta:

La flecha más importante aquí es '"`UNIQ--postMath-00000024-QINU`"' que establece la propiedad universal.
La flecha más importante aquí es la que establece la propiedad universal.

Obsérvese que en cada definición las flechas están invertidas. Ambas definiciones son necesarias para describir las construcciones universales que aparecen en matemáticas, pero también surgen debido a la dualidad inherente presente en la teoría de categorías. En cualquier caso, decimos que el par que se comporta como se indica arriba satisface una propiedad universal.

Conexión con categorías de comas

Los morfismos universales pueden describirse de forma más concisa como objetos iniciales y terminales en una categoría de coma (es decir, una donde los morfismos son vistos como objetos por derecho propio).

Sea un funtor y un objeto de . Entonces recuerde que la categoría de coma es la categoría donde

Un morfismo en la categoría de coma se da mediante el morfismo '"`UNIQ--postMath-00000031-QINU`"' que también hace que el diagrama conmute.
Un morfismo en la categoría de coma se da por el morfismo que también hace conmutar el diagrama.

Supongamos ahora que el objeto en es inicial. Entonces, para cada objeto , existe un morfismo único tal que el siguiente diagrama conmuta.

Esto demuestra la conexión entre un diagrama universal que es un objeto inicial en una categoría de coma.
Esto demuestra la conexión entre un diagrama universal que es un objeto inicial en una categoría de coma.

Tenga en cuenta que la igualdad aquí simplemente significa que los diagramas son los mismos. Observe también que el diagrama del lado derecho de la igualdad es exactamente el mismo que el que se ofrece al definir un morfismo universal de a . Por lo tanto, vemos que un morfismo universal de a es equivalente a un objeto inicial en la categoría de coma .

Por el contrario, recuerda que la categoría de coma es la categoría donde

Esto simplemente demuestra la definición de un morfismo en una categoría de coma.
Esto simplemente demuestra la definición de un morfismo en una categoría de coma.

Supongamos que hay un objeto terminal en . Entonces, para cada objeto , existe un morfismo único tal que los siguientes diagramas conmutan.

Esto demuestra que un objeto terminal en una categoría de coma específica corresponde a un morfismo universal.
Esto demuestra que un objeto terminal en una categoría de coma específica corresponde a un morfismo universal.

El diagrama del lado derecho de la igualdad es el mismo diagrama que se muestra al definir un morfismo universal de a . Por lo tanto, un morfismo universal de a corresponde a un objeto terminal en la categoría de coma .

Ejemplos

A continuación se presentan algunos ejemplos para resaltar la idea general. El lector puede construir muchos otros ejemplos consultando los artículos mencionados en la introducción.

Álgebras tensoriales

Sea la categoría de espacios vectoriales -Vect sobre un cuerpo y sea la categoría de álgebras -Alg sobre (supuestamente unitaria y asociativa ). Sea

 : -Alg-Vect

sea ​​el funtor olvidadizo que asigna a cada álgebra su espacio vectorial subyacente.

Dado cualquier espacio vectorial sobre podemos construir el álgebra tensorial . El álgebra tensorial se caracteriza por el hecho de que:

“Cualquier aplicación lineal de a un álgebra puede extenderse de forma única a un homomorfismo de álgebra de a .”

Esta afirmación es una propiedad inicial del álgebra tensorial ya que expresa el hecho de que el par , donde es la función de inclusión, es un morfismo universal desde el espacio vectorial hasta el funtor .

Dado que esta construcción funciona para cualquier espacio vectorial , concluimos que es un funtor de -Vect a -Alg . Esto significa que es adjunto por la izquierda del funtor olvidadizo (consulte la sección a continuación sobre la relación con los funtores adjuntos).

Productos

Un producto categórico se puede caracterizar mediante una construcción universal. Para que sea más concreto, se puede considerar el producto cartesiano en Set , el producto directo en Grp o la topología del producto en Top , donde existen productos.

Sean y objetos de una categoría con productos finitos. El producto de y es un objeto × junto con dos morfismos

 :
 :

de tal manera que para cualquier otro objeto de y morfismos y existe un morfismo único tal que y .

Para entender esta caracterización como una propiedad universal, tomemos la categoría como la categoría del producto y definamos el functor diagonal

por y . Entonces es un morfismo universal de a el objeto de : si es cualquier morfismo de a , entonces debe ser igual a un morfismo de a seguido de . Como diagrama conmutativo:

Diagrama conmutativo que muestra cómo los productos tienen una propiedad universal.
Diagrama conmutativo que muestra cómo los productos tienen una propiedad universal.

Para el ejemplo del producto cartesiano en el conjunto , el morfismo comprende las dos proyecciones y . Dado cualquier conjunto y funciones, la función única tal que el diagrama requerido conmuta está dada por . [3]

Límites y colimites

Los productos categóricos son un tipo particular de límite en la teoría de categorías. Se puede generalizar el ejemplo anterior a límites y colímites arbitrarios.

Sean y categorías con un índice pequeño category y sea el funtor correspondiente category . El funtor diagonal

es el funtor que asigna cada objeto en al funtor constante (es decir, para cada en y para cada en ) y cada morfismo en a la transformación natural en definida como, para cada objeto de , el componente en . En otras palabras, la transformación natural es la definida por tener un componente constante para cada objeto de .

Dado un funtor (considerado como un objeto en ), el límite de , si existe, no es nada más que un morfismo universal de a . Dualmente, el colimite de es un morfismo universal de a .

Propiedades

Existencia y singularidad

Definir una cantidad no garantiza su existencia. Dado un funtor y un objeto de , puede existir o no un morfismo universal de a . Sin embargo, si existe un morfismo universal, entonces es esencialmente único. Específicamente, es único hasta un isomorfismo único : si es otro par, entonces existe un isomorfismo único tal que . Esto se ve fácilmente sustituyendo en la definición de un morfismo universal.

El par es esencialmente único de esta manera. El objeto en sí mismo es único solo hasta el isomorfismo. En efecto, si es un morfismo universal y es cualquier isomorfismo, entonces el par , donde también es un morfismo universal.

Formulaciones equivalentes

La definición de un morfismo universal se puede reformular de diversas maneras. Sea un funtor y sea un objeto de . Entonces, las siguientes afirmaciones son equivalentes:

para cada objeto en

Las afirmaciones duales también son equivalentes:

para cada objeto en

Relación con los funtores adjuntos

Supóngase que es un morfismo universal de a y es un morfismo universal de a . Por la propiedad universal de los morfismos universales, dado cualquier morfismo existe un morfismo único tal que el siguiente diagrama conmuta:

Los morfismos universales pueden comportarse como una transformación natural entre funtores en condiciones adecuadas.
Los morfismos universales pueden comportarse como una transformación natural entre funtores en condiciones adecuadas.

Si cada objeto de admite un morfismo universal a , entonces la asignación y define un funtor . Las aplicaciones definen entonces una transformación natural de (el funtor identidad en ) a . Los funtores son entonces un par de funtores adjuntos , con adjunto izquierdo a y adjunto derecho a .

Se aplican afirmaciones similares a la situación dual de morfismos terminales de . Si tales morfismos existen para cada en uno se obtiene un funtor que es adjunto por la derecha a (por lo tanto es adjunto por la izquierda a ).

De hecho, todos los pares de funtores adjuntos surgen de construcciones universales de esta manera. Sea y un par de funtores adjuntos con unidad y co-unidad (consulte el artículo sobre funtores adjuntos para las definiciones). Entonces tenemos un morfismo universal para cada objeto en y :

La unidad y el counit de una adjunción, que son transformaciones naturales entre funtores, son un ejemplo importante de morfismos universales.
La unidad y el counit de una adjunción, que son transformaciones naturales entre funtores, son un ejemplo importante de morfismos universales.

Las construcciones universales son más generales que los pares de funtores adjuntos: una construcción universal es como un problema de optimización; da lugar a un par adjunto si y sólo si este problema tiene una solución para cada objeto de (equivalentemente, cada objeto de ).

Historia

Pierre Samuel presentó las propiedades universales de varias construcciones topológicas en 1948. Posteriormente, Bourbaki las utilizó ampliamente . El concepto estrechamente relacionado de funtores adjuntos fue introducido de forma independiente por Daniel Kan en 1958.

Véase también

Notas

  1. ^ Jacobson (2009), Proposición 1.6, pág. 44.
  2. ^ Véase por ejemplo, Polcino & Sehgal (2002), p. 133, ejercicio 1, sobre la propiedad universal de los anillos de grupo .
  3. ^ Fong, Brendan; Spivak, David I. (12 de octubre de 2018). "Siete bocetos sobre composicionalidad: una invitación a la teoría de categorías aplicada". arXiv : 1803.05316 [math.CT].

Referencias

Enlaces externos