Kategorientheorie

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.

Der Begriff Kategorie

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" $\circ$ dargestellt):

1. Zu jedem Morphismus $f$ gibt es zwei Objekte, die Quelle oder Domain, $\mathrm {dom} (f)$, und das Ziel (Codomain), $\mathrm {cod} (f)$ (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: $id(\mathrm {dom} (f))\circ f=f=f\circ id(\mathrm {cod} (f))$ (Identität)
3. Komposition: Zu jedem Paar von Morphismus $f,g$ mit $\mathrm {cod} (f)=\mathrm {dom} (g)$ gibt es (genau) einen Morphismus $h:=f\circ g$ mit
   1. $\mathrm {dom} (h)=\mathrm {dom} (f)$ und $\mathrm {cod} (h)=\mathrm {cod} (g)$
   2. Die Komposition ist assoziativ, d.h., soweit definiert, gilt $f\circ (g\circ h)=(f\circ g)\circ h$.
4. Für je zwei Objekte $A$ und $B$ ist die Klasse der Morphismen von $A$ nach $B$ eine Menge.

Beispiele für Kategorien sind:

• $\mathbf {Set}$ ist die Kategorie mit Mengen als Objekten und Abbildungen als Morphismen.

• $\mathbf {Top}$, die Kategorie der topologischen Räume (Objekte) mit den stetigen Abbildungen (Morphismen). Eine wichtige Unterkategorie ist $\mathbf {Top_{2}}$, die Kategorie der Hausdorffräume mit stetigen Abbildungen.

• $\mathbf {Grp}$, die Kategorie der Gruppen mit den Gruppenhomomorphismen

• $\mathbf {NLinSp}$, die Kategorie der normierten linearen Räume mit den stetigen (=beschränkten) linearen Abbildungen. Unterkategorien sind z.B.: $\mathbf {BanSp_{1}}$ die Banachräume mit stetigen linearen Abbildungen, $\mathbf {BanSp_{2}}$, die Banachräume mit stetigen normreduzierenden Abbildungen und $\mathbf {CBanAlg}$, 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 $(X,\leq )$bildet eine Kategorie: Objekte sind die Elemente der Menge, ein Morphismus $a\longrightarrow b$ existiere genau dann, wenn $a\leq b$.

• ein Beispiel aus der Informatik ist $\mathbf {Data}$, 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. Diese sehr allgemeine Definition ist konsistent mit allen anderen Definitionen von Isomorphismen in anderen Bereichen der Mathematik.

Bei der Untersuchung von Kategorien sucht man häufig nach Eigenschaften, die von Isomorphismen erhalten werden, so genannte "Invarianten". Beispiele für Invarianten in $\mathbf {Top}$ sind Abzählbarkeitseigenschaften (1. bzw. 2. Abzählbarkeitsaxiom), Trennungseigenschaften ($T_{0},T_{1}$, Hausdorff, regulär, vollständig regulär, normal), Zusammenhangseigenschaften (zusammenhängend, pfadzusammenhängend) und Kompaktheit. Ein Beispiel für eine Invariante in $\mathbf {BanSp_{1}}$ ist "enthält einen zum Hilbertraum isomorphen Unterraum". Eine Invariante in $\mathbf {CBanAlg}$ ist z.B. das Spektrum eines Elements.

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.

• T ist Monomorphismus und extremaler Epimorphimus
• T ist Epimorphismus und extremaler Monomorphismus
• T ist Monomorphismus und Retraktion
• T ist Epimorphismus und Schnitt

Kategorien aus Kategorien

Die "Cokategorie", die entgegengesetzte Kategorie

Zu jeder Kategorie $Kat$ läßt sich wie folgt eine entgegengesetzte Kategorie $coKat$ zuordnen:

• Die Objekte von $coKat$ sind die Objekte von $Kat$
• Die Morphismen von $A\longrightarrow B$ zweier Objekte $A,B$ von $coKat$ sind die Morphismen $B\longrightarrow A$ aus der Kategorie $Kat$.
• Die Komposition $f\circ g$ zweier Morphismen $f,g$ aus $coKat$ ist definiert durch die Komposition $g\circ f$ in $Kat$.

Die entgegengesetzte Kategorie von $\mathbf {Top}$ 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:

• Produkt <--> direkte Summe (=Coprodukt)
• final <--> initial
• Kernel <--> Cokernel
• Schnitt <--> Retraktion
• 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 $\mathbf {Cat}$ 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: $F(f\circ g)=(Ff)\circ (Fg)$

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 $\mathbf {Cat}$ die Strukturen, die von den Funktoren respektiert werden. Jeder Funktor erhält Identitäten, Isomorphismen, Schnitte und Retraktionen.

Ein Beispiel: Durch $Bin\colon \mathbf {Set} \longrightarrow \mathbf {Set}$, wo jeder Menge $A$ die Menge $A\times A$ zugeordnet und jeder Funktion $f\colon A\longrightarrow B$ die Funktion $Bin(f)(a,a'):=(f(a),f(a'))$ 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 $a\colon \mathrm {Obj} (KatA)\longrightarrow \mathrm {Mor} (KatB)$ 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 $f\colon A\longrightarrow A'$ aus $KatA$ gilt: $G(f)\circ a(A)=a(A')\circ F(f)$

Die so definierten Morphismen heißen natürliche Transformationen oder Funktor-Morphismen. Die Verknüpfung zweier solcher natürlicher Transformationen $a,b$ kann man durch Verknüpfung der Funktionen $b\circ a$ 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 $swap:Bin\longrightarrow Bin$ ($Bin$ ist der binäre Funktor auf $\mathbf {Set}$, siehe vorigen Abschnitt). Diese Transformation ist so definiert: Für jede Menge $A$ definieren wir einen Morphismus $swap(A)$ auf $Bin(A)=A\times A$ durch $f(a,a'):=(a',a)$.

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 $h\colon B\longrightarrow F(A)$ gibt, so dass jeder $KatB$-Morphismus $f\colon B\longrightarrow F(A')$ sich eindeutig darstellen läßt durch $f=G(g)\circ h$, wobei $g\colon A\longrightarrow A'$ ein $KatA$-Morphismus ist. Die Zuordnung $B\mapsto A$, $f\mapsto g$ 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 $m\leq n$. $KatB$ sei die Menge der nichtnegativen reellen Zahlen mit den genau wie in $KatA$ definierten Morphismen. Wir betrachten den Einbettungsfunktor $F\colon KatA\longrightarrow KatB$, der jeder natürlichen Zahlen die entsprechende reelle Zahl zuordnet. Die rechte Adjungierte ist gegeben durch die Abrunden-Funktion $\left\lfloor .\right\rfloor$, es gilt

$m\leq \left\lfloor x\right\rfloor \ \mathrm {in} \ KatA\Leftrightarrow F(m)\leq x\ \mathrm {in} \ KatB$

Diese Art Adjunktion wird auch Galois-Verbindung genannt. Sie erlaubt z.B. einen eleganten Beweis der Gleichung $\left\lfloor {\sqrt {\left\lfloor x\right\rfloor }}\right\rfloor =\left\lfloor {\sqrt {x}}\right\rfloor$ (Tipp zum Nachrechnen: Es gilt $m=n$ genau dann, wenn für alle $k$ gilt: $k\leq m\Leftrightarrow k\leq n$)

• Sei $KatA$ die Kategorie der kompakten Hausdorffräume (mit stetigen Funktionen) und $KatB$ die Kategorie $\mathbf {Top}$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 $F\colon KatA\longrightarrow KatB,G\colon KatB\longrightarrow KatA$ Funktoren, dann heißt $G$ linke Adjungierte zu $G$ und $F$ heißt rechte Adjungierte zu $F$, falls es zwei natürliche Transformation $\eta \colon id_{KatB}\longrightarrow G\circ F,\phi \colon F\circ G\longrightarrow id_{KatA}$ gibt mit

• $F(\phi _{A})\circ \eta _{F(A)}=id_{F(A)}$ für jedes Objekt $A\in \mathrm {Obj(KatA)}$
• $\phi _{G(B)}\circ G(\eta _{B})=id_{G(B)}$für jedes Objekt $B\in \mathrm {Obj(KatB)}$

Das Tupel $(F,G,\phi ,\eta )$ heißt Adjunktion.

Zu Adjunktionen siehe auch den weiterführenden Artikel in der englischen Wikipedia.

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.

Produkt, kartesisch abgeschlossen, adjungierter Funktor

Ein Produkt einer Familie {A_i : 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 A_i } 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 X exponentiell 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 sogenannte 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.

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)

Siehe auch: Homologische Algebra sowie Kategorie (Allgemeinbegriff) und Kategorie in der Philosophie

Literatur

Klassische Lehrbücher sind:

• J. Adámek, H. Herrlich, G.E. Strecker: Abstract and concrete categories, John Wiley (1990)
• 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

Netz-Verweise

• Category theory, homological algebra im Mathematical Atlas
• PlanetMath Übersichtsartikel (engl.)
• eine "freundliche Einführung" in die Kategorientheorie, die nur mit Beispielen aus der Algorithmik arbeitet (engl.) Postscript, 80S.
• categories, moderierte Liste von Kategorientheoretikern über Kategorientheorie

In Arbeit