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¿Por qué es Set, y no Rel, tan omnipresente en matemáticas?

El concepto de relación en la historia de las matemáticas, ya sea de manera consciente o no, siempre ha sido importante: pensar en el fin de las relaciones o de las relaciones de equivalencia.

¿Por qué hubo la necesidad de identificar un tipo particular de relaciones, a saber, el de los funcionales? Supongo (pero no tengo datos acerca de este), históricamente, el reconocimiento de que "operativa", expresiones como $x^3$ o $\sum_{i=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$ podría ser formalizado como las relaciones funcionales llevó a dedicar más atención a las funciones de entenderse en el moderno conjunto sentido teórico (es decir, como un caso especial de las relaciones). Esta perspectiva permite considerar aspectos tales como la función de Dirichlet $\chi_{\mathbb{Q}}$ (que antes no era considerado incluso a ser una verdadera "función"!) como plenamente legítimo de los objetos, y para no despedirlos como patológico, con gran ventaja teórica. El lenguaje y la notación de funciones, se prefirió incluso a lidiar con las cosas que, técnicamente, las relaciones: pensar en "multi-funciones con valores" en el complejo de análisis, tales como $\sqrt x$ o $\log (x)$.

1) En el que las instancias en las matemáticas modernas, son las relaciones utilizado como importantes generalizaciones de funciones? Un ejemplo que viene a la mente es correspondencias en el sentido de la geometría algebraica.


En Álgebra moderna el concepto de homomorphism, una especie de función entre las estructuras algebraicas, es central; estamos acostumbrados a ver expresiones como $f(x*y)=f(x)*f(y)$. Pero sería igualmente posible definir una "relación homomórfica" $R$, por ejemplo en grupos, por lo que el requisito de: $(xRz$ & $yRt)$ $\Rightarrow$ $(x*y)R(z*t)$, donde $*$ es la multiplicación del grupo.

2) Tiene este tipo de "homomórfica de relaciones" se ha estudiado (en grupos o de otras estructuras algebraicas)? ¿Por qué el álgebra es impregnada con homomorphisms pero nunca vemos "homomórfica de relaciones"? ¿Hay algo más que razones históricas?


Vamos a Establecer ser el habitual de la categoría de conjuntos, y Rel ser la categoría de conjuntos-con-relaciones-como-morfismos.

No es el fiel functor Conjunto $\to$ Rel que simplemente se mantiene fija intacta y envía una función con su gráfica. Y hay también un fiel functor Rel $\to$ Establecer la asignación de $X\to 2^X$ e $R\subseteq X\times Y$ a $R_*:2^X\to 2^Y, A\mapsto R_*(A)=\{ y\in Y\; |\; \exists x \in A : (x,y)\in R \}$.

A pesar de lo trivial fundacional hecho de que el conjunto teórico de las funciones están definidas para ser un tipo especial de relaciones, parece que en la categoría de la teoría de Conjunto tiene prioridad en Rel. Por ejemplo, el Yoneda del lexema está indicado para el Conjunto; y que la gente hable de simplicial conjuntos, no simplicial relaciones; y la categoría de Rel es sólo recuperan como "el Kleisli categoría de la powerset endofunctor en Conjunto" (me acabo de enterar de esto de la wikipedia) y no parece ser tan ubicuo como el Conjunto (pero esta impresión podría depender de mi ignorancia en la categoría de teoría).

3) Son funciones realmente más central/importante que en las relaciones, en la categoría de teoría? Si es así, es sólo por razones históricas o hay algunos más "intrínseca" razones? E. g. hay un análogo de Yoneda del lema para el Rel?

45voto

Leon Bambrick Puntos 10886

En cuanto a la pregunta 3, se puede hacer un argumento que en realidad el objeto fundamental es "junto con Rel". El bijective-en-los objetos de la inclusión de Establecer en Rel es una categoría de la estructura que puede ser expresado como un F-categoría, un proarrow equipo, o una doble categoría. Todos estos son ligeramente diferentes formas de hablar acerca de un (2-)de la categoría que tiene dos clases de morfismos.

Resulta que en el caso particular de Set+Rel, cualquiera de las clases de morfismos pueden ser recuperados de los otros. Las relaciones son conjuntamente monic se extiende de funciones, mientras que las funciones son las relaciones con derecho adjoints. El mismo hecho se mantiene en mucho mayor generalidad: de cualquier categoría regular (cuyos morfismos son "función-like") se puede construir una unitario tabular alegoría (cuyos morfismos son "relación-like"), y a la inversa. Las dos son realmente la misma estructura se expresa de diferentes maneras. A veces es más conveniente el uso de las funciones; a veces, es más conveniente el uso de las relaciones; y a veces queremos tanto encapsulados en una sola estructura.

La importancia de este tipo de dos-tipos-de-morfismos estructura se hace más pronunciada a medida que se sube en categorías dimensión. Por ejemplo, el análogo cosa por categorías es la inclusión de Gato (cuyos morfismos son functors) en el Profesor (cuyos morfismos son profunctors). En este caso, el Profesor puede ser construido a partir de Gato, pero con bastante más dificultad que el Rel está construido a partir de Conjunto, mientras que el Gato no puede ser recuperado 2-categóricamente Prof (por ejemplo, Morita-categorías equivalentes, son equivalentes en el Profesor, pero no en el Gato). Por otro lado, profunctors parece un ingrediente esencial para hacer "formal de la categoría de teoría", por ejemplo, en la formulación de la ponderación de los límites y colimits, por lo que es valioso para mantener ambos tipos de morfismos alrededor.

19voto

Ed Haber Puntos 1121

Tomando declaraciones cerca de la final de la OP, y un poco en línea con Mike Shulman respuesta, me gustaría subrayar estructural de la interacción entre el $\mathbf{Set}$ e $\mathbf{Rel}$ para indicar un punto de entrada en la noción de topos.

  • El bijective-en-objetos de inclusión $i: \mathbf{Set} \to \mathbf{Rel}$ tiene un derecho adjoint $p: \mathbf{Rel} \to \mathbf{Set}$.

Esto significa que hay una natural bijective la correspondencia entre las relaciones de $iA \nrightarrow B$ y las funciones de $A \to pB$. Aquí $pB$ es, por supuesto, el juego de poder de $B$.

Un buen montón de estructura fundamental que sale de esta. Por ejemplo, el counit de la contigüidad es la elementhood relación $\ni_A: ipA \nrightarrow A$. La unidad de la contigüidad $A \to piA$ es el singleton función de $a \mapsto \{a\}$. La multiplicación de la mónada $pi$ con componentes de $\mu_A: pipiA \to piA$ es la función de $\bigcup_A:ppA \to pA$, teniendo una colección de subconjuntos $\mathcal{A} \in ppA$ a la unión de $\bigcup \mathcal{A} \in pA$.

Sí, como el OP citado de Wikipedia:

  • $\mathbf{Rel}$ es de "sólo" de la Kleisli categoría (de libre álgebras) de la mónada $pi: \mathbf{Set} \to \mathbf{Set}$.

Pero las tornas se fair play:

  • $\mathbf{Set}$ es de "sólo" de la Eilenberg-Moore categoría (de coalgebras) de la comonad $ip: \mathbf{Rel} \to \mathbf{Rel}$.

Se me hace difícil jugar a favoritos entre los $\mathbf{Rel}$ e $\mathbf{Set}$, debido a que de esta estructurales de la interpenetración entre los dos. Es posible que prefiera $\mathbf{Set}$ porque es completa y cocomplete. Por otro lado, es posible que prefiera $\mathbf{Rel}$ debido a su auto-dualidad ($\mathbf{Set}$ rompe la simetría disfrutado por $\mathbf{Rel}$), y debido a $\mathbf{Rel}$ goza de una rica estructura de honesto 2-categoría (cuyo 2-las células son inclusiones entre las relaciones del mismo tipo $A \nrightarrow B$). Es probablemente la mejor manera de ver soldados en un todo, como un cierto tipo de doble bicategory como en la respuesta de Mike.

Ahora me deja usar estas ideas para dar una ágil definición de topos. Como muchos lectores sabrán, la noción de categoría regular $C$ es útil porque (entre otras cosas) que permite una decente cálculo de las relaciones. Así, a partir de una categoría regular se pueda formar una categoría de relaciones internas en $C$, denotado $\mathbf{Rel}(C)$. De nuevo hay un bijective-en-objetos de inclusión $i: C \to \mathbf{Rel}(C)$.

  • Definición: Un topos es una categoría regular $C$ de manera tal que la inclusión $i$ tiene un derecho adjoint $p$.

11voto

Farinha Puntos 5518

2) La definición de "relación homomórfica" para los grupos de la pregunta sólo se refiere a la multiplicación, pero es más natural que también requieren compatibilidad con los inversos (porque no estamos hablando de semigroups que resultan ser los grupos, pero acerca de los grupos; aunque es bien sabido que el olvidadizo functor es totalmente fiel, es decir, el homomorphisms son el mismo, este no es el caso de la "homomórfica de relaciones"). Luego homomórfica relaciones $R$ en un grupo corresponden 1:1 a la normalidad subgrupos $N$ del grupo (a través de $(x,y) \in R \Leftrightarrow x y^{-1} \in N$). Más en general, una relación de congruencia en una estructura algebraica es una relación de equivalencia en el conjunto subyacente que es compatible con todas las operaciones. Equivalentemente, el cociente de la base de conjuntos se convierte en una expresión algebraica de la estructura de la misma firma, que la proyección se convierte en un homomorphism. El homomorphism teorema sostiene en esta configuración general. Espero que esto refuta la afirmación de que nunca vemos homomórfica de relaciones.

3) La Yoneda Lema tiene enriquecido categorías más monoidal simétrica cerrada categorías, y $\mathsf{Rel}$ es un monoidal simétrica cerrada categoría, con tensor de producto coincidiendo con el producto cartesiano en $\mathsf{Set}$ (este no es el producto cartesiano en $\mathsf{Rel}$, que coincide con el subproducto en $\mathsf{Set}$).

Tenga en cuenta que $\mathsf{Set}$ tiene muchas más conveniente propiedades de $\mathsf{Rel}$. Por ejemplo, Milius papel En Colimits en Categorías de Relaciones explica que $\mathsf{Rel}$ no ha todos colimits de $\omega$-cadenas.

10voto

Sönke Hansen Puntos 1921

Respecto a su primera pregunta, aquí es un ejemplo de (microlocal) el análisis y la geometría simpléctica: la transformada de Fourier Integral de los Operadores (FIO) corresponden a relaciones canónicas, que son de Lagrange submanifolds de $T^\ast Y\times T^\ast X$ donde $X$ e $Y$ son el origen y el destino del colector, respectivamente. Composición de FIOs corresponde a la composición, como las relaciones, de sus subyacente relaciones canónicas. La solución operador de (el problema de Cauchy) la ecuación de onda es una FIO; aquí dos puntos en la cotangente del paquete están relacionados si están en la misma bicharacteristic (=solución de la curva de la ciudad de Hamilton canónicas de las ecuaciones). El pull-back por una suave mapa de $f:Y\to X$ es un FIO, $f^\ast$. Aquí la relación es el conormal paquete de la gráfica de $f$ (después de la una de la fibra de variables se ha multiplicado por $(-1)$). En el caso de $f$ es un diffeomorphism, el asociado symplectomorphism $T^\ast Y\to T^\ast X$ es canónica de la relación de $f^\ast$. La FIOs que corresponden a la identidad en $T^\ast X$ son precisamente los pseudo-operadores diferenciales en $X$. Cuando se trata, por ejemplo, con la propagación de la onda en los colectores de los límites, de la FIO cálculo, de los cuales una parte esencial es la composición de relaciones canónicas, es muy conveniente y útil.

8voto

Luc Hermitte Puntos 14171

Noción 2 primero fue considerado para grupos en Wedderburn, J. H. M. Homomorphism de grupos. Ann. de Matemáticas. (2) 42, (1941). 486-487. Pero los principales resultados muestran que para los grupos de la noción no es tan emocionante. En semigroup la teoría de las relaciones satisfactorio 2 son llamados relacionales morfismos. Se forma la noción clave de morfismos en lo finito semigroup teoría. Fueron presentados por Eilenberg y Tilson en Eilenberg el libro sobre finito semigroup teoría.

Por ejemplo, uno puede considerar que los elementos de un número finito de semigroup se refieren a 1 en todos los posibles relacional morfismos a un determinado grupo. La respuesta es la más pequeña subsemigroup que contiene todos los idempotents y cerrado bajo $x\mapsto axb$ siempre aba=o bab=b. Una prueba que utiliza el producto de finitely generado subgrupos de un grupo libre es cerrado en el profinite topología (que fue conjeturado por semigroup teóricos interesados en este problema y demostrado por Ribes y Zalesskii utilizando profinite grupos que actúen en profinite árboles).

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