โทพอส
ในทางคณิตศาสตร์โทโพสของโกรเธนดีค( สหรัฐอเมริกา: /ˈtɒpɒs/, สหราชอาณาจักร: /ˈtoʊpoʊs, ˈtoʊpɒs / ; พหูพจน์topoi / ˈtɒpɔɪ / หรือ/ ˈtoʊpɔɪ / หรือtoposes )เป็นหมวดหมู่ที่มีพฤติกรรมคล้ายกับหมวดหมู่ของชีฟของเซตบนปริภูมิเชิงทอพอโลยี( หรือโดยทั่วไปบนไซต์) โทโพสมีพฤติกรรมคล้ายกับหมวดหมู่ของเซตและมีแนวคิดเรื่องการกำหนดตำแหน่ง[ 1 ] โท โพสของ โกรเธ นดีคพบการประยุกต์ ใช้ ในเรขาคณิตเชิงพีชคณิตพวกมันได้รับการขยายความโดยโทโพสพื้นฐานซึ่งใช้ในตรรกศาสตร์
สาขาคณิตศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับโทโปอิเรียกว่าทฤษฎีโทโปอิ
การแนะนำ
นับตั้งแต่มีการนำชีฟมาใช้ในคณิตศาสตร์ในช่วงทศวรรษ 1940 แนวคิดหลักประการหนึ่งคือการศึกษาพื้นที่โดยการศึกษาชีฟบนพื้นที่นั้น แนวคิดนี้ได้รับการขยายความโดยAlexander Grothendieckโดยการแนะนำแนวคิดของ "โทโพส" ประโยชน์หลักของแนวคิดนี้อยู่ที่สถานการณ์มากมายในคณิตศาสตร์ที่ฮิวริสติกเชิงโทโพโลยีมีประสิทธิภาพมาก แต่ขาดพื้นที่เชิงโทโพโลยีที่แท้จริง บางครั้งเป็นไปได้ที่จะหาโทโพสที่ทำให้ฮิวริสติกเป็นทางการ ตัวอย่างที่สำคัญของแนวคิดเชิงโปรแกรมนี้คือétale toposของสกีมภาพประกอบอีกภาพหนึ่งของความสามารถของโทโพสของ Grothendieck ในการรวบรวม "แก่นแท้" ของสถานการณ์ทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันคือการใช้โทโพสเป็น "สะพาน" สำหรับเชื่อมต่อทฤษฎีต่างๆ ซึ่งแม้จะเขียนด้วยภาษาที่อาจแตกต่างกันมาก แต่ก็มีเนื้อหาทางคณิตศาสตร์ร่วมกัน[ 2 ] [ 3 ]
คำจำกัดความที่เทียบเท่ากัน
โทโพสของโกรเธนดิคคือหมวดหมู่ซึ่งตรงตามคุณสมบัติใดคุณสมบัติหนึ่งในสามข้อต่อไปนี้ ( ทฤษฎีบทของฌอง จิโรด์กล่าวว่าคุณสมบัติทั้งหมดด้านล่างนี้เทียบเท่ากัน)
- มีหมวดหมู่เล็กๆและการรวมเข้าด้วยกันซึ่งยอมรับแอดจอยต์ซ้ายที่รักษาขีด จำกัดจำกัดไว้ ได้
- เป็นหมวดหมู่ของมัดฟางในเว็บไซต์Grothendieck
- สอดคล้องกับหลักการของ Giraud ดังต่อไปนี้
ที่นี่แสดงถึงหมวดหมู่ของฟังก์ชันคอนทราแวเรียนต์จากในหมวดหมู่ของเซต ฟังก์ชันคอนทราแวเรียนต์ดังกล่าว มักเรียกว่าพรีชีฟ (presheaf )
หลักการพื้นฐานของจิโรด์
สัจพจน์ของ Giraud สำหรับหมวดหมู่เป็น:
- มีชุดตัวสร้าง ขนาดเล็ก และยอมรับโคลิมิต ขนาดเล็กทั้งหมด ยิ่งไปกว่านั้น ผลคูณไฟเบอร์กระจายตัวเหนือผลคูณร่วม กล่าวคือ เมื่อกำหนดชุดหนึ่งแล้ว, หนึ่งการแมปผลรวมดัชนีไปยังและมอร์ฟิซึมการดึงกลับนั้นเป็น-ผลคูณร่วมที่จัดทำดัชนีของการดึงกลับ:
- ผลรวมในแยกออกจากกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ผลิตภัณฑ์เส้นใยของและผลรวมของพวกมันคือวัตถุเริ่มต้นใน.
- ความสัมพันธ์สมมูลทั้งหมดในมีประสิทธิภาพ
สัจพจน์สุดท้ายต้องการคำอธิบายมากที่สุด ถ้าXเป็นวัตถุของCความสัมพันธ์สมมูลRบนXคือแผนที่R → X × XในC โดยที่สำหรับวัตถุY ใดๆ ในCแผนที่เหนี่ยวนำ Hom( Y , R ) → Hom( Y , X ) × Hom( Y , X ) จะให้ความสัมพันธ์สมมูลแบบธรรมดาบนเซต Hom( Y , X ) เนื่องจาก C มีโคลิมิต เราจึงสามารถสร้าง โค อีควอไลเซอร์ของแผนที่R → X ทั้งสอง ได้ เรียกสิ่งนี้ว่าX / Rความสัมพันธ์สมมูลนั้น "มีประสิทธิภาพ" ถ้าแผนที่แคนอนิก
เป็นไอโซมอร์ฟิซึม
ตัวอย่าง
ทฤษฎีบทของ Giraud ได้ให้ "ชีฟบนไซต์" เป็นรายการตัวอย่างที่สมบูรณ์แล้ว อย่างไรก็ตาม โปรดสังเกตว่าไซต์ที่ไม่สมมูลกันมักก่อให้เกิดโทโพโลยีที่สมมูลกัน ดังที่ได้ระบุไว้ในบทนำ ชีฟบนปริภูมิเชิงทอพอโลยีทั่วไปเป็นแรงบันดาลใจให้กับคำจำกัดความและผลลัพธ์พื้นฐานมากมายของทฤษฎีโทโพโลยี
ประเภทของเซ็ตและจีเซ็ต
หมวดหมู่ของเซตเป็นกรณีพิเศษที่สำคัญ: มันมีบทบาทเป็นจุดในทฤษฎีโทโพส อันที่จริง เซตอาจถูกมองว่าเป็นชีฟบนจุด เนื่องจากฟังก์ชันบนหมวดหมู่เอกพจน์ที่มีวัตถุเดียวและมีเพียงมอร์ฟิซึมเอกลักษณ์เท่านั้นก็คือเซตเฉพาะในหมวดหมู่ของเซต
ในทำนองเดียวกัน ก็มีโทโพสอยู่ด้วยสำหรับกลุ่ม ใด ๆซึ่งเทียบเท่ากับหมวดหมู่ของ-เซต เราสร้างสิ่งนี้ขึ้นมาเป็นหมวดหมู่ของพรีชีฟบนหมวดหมู่ที่มีวัตถุหนึ่งชิ้น แต่ตอนนี้เซตของมอร์ฟิซึมนั้นกำหนดโดยกลุ่มเนื่องจากฟังก์ชันใดๆ ก็ตามจะต้องให้ค่า a-การกระทำต่อเป้าหมาย ซึ่งทำให้ได้หมวดหมู่ของ-เซต ในทำนองเดียวกัน สำหรับกรุปอยด์หมวดหมู่ของรวงข้าวที่เตรียมไว้ล่วงหน้าบนนำเสนอชุดของเซตที่จัดทำดัชนีโดยเซตของวัตถุในและออโตมอร์ฟิซึมของวัตถุในมีการกระทำต่อเป้าหมายของฟังก์ชัน
โทโปอิจากพื้นที่วงแหวน
ตัวอย่างที่แปลกใหม่กว่า และเหตุผลหลักของทฤษฎีโทโพส มาจากเรขาคณิตเชิงพีชคณิต ตัวอย่างพื้นฐานของโทโพสมาจากโทโพสแบบซาริสกีของสกีมสำหรับแต่ละสกีมมีเว็บไซต์หนึ่ง(ของวัตถุที่กำหนดโดยเซตย่อยเปิดและมอร์ฟิซึมที่กำหนดโดยการรวม) ซึ่งหมวดหมู่ของพรีชีฟก่อตัวเป็นโทโพสของซาริสกีแต่เมื่อพิจารณาถึงกลุ่มของมอร์ฟิซึมที่แตกต่างกันแล้ว จะมีการวางนัยทั่วไปหลายประการซึ่งนำไปสู่คณิตศาสตร์ที่ไม่ธรรมดา ยิ่งไปกว่านั้น โทโปอิยังเป็นพื้นฐานสำหรับการศึกษาสกีมในฐานะฟังก์ชันบนหมวดหมู่ของพีชคณิตอีกด้วย
เราอาจเชื่อมโยงโครงร่างหรือแม้แต่กองซ้อน เข้ากับ โทโพสแบบเอทาล โทโพสแบบ fppfหรือ โทโพส แบบนิสเนวิชอีกตัวอย่างที่สำคัญของโทโพสคือจากไซต์ผลึกในกรณีของโทโพสแบบเอทาล โทโพสเหล่านี้เป็นพื้นฐานของการศึกษาในเรขาคณิตแบบอนาเบเลียนซึ่งศึกษาวัตถุในเรขาคณิตเชิงพีชคณิตที่ถูกกำหนดโดยโครงสร้างของกลุ่มพื้นฐานแบบเอทาลอย่าง สมบูรณ์
พยาธิวิทยา
ทฤษฎีโทโพสในแง่หนึ่งคือการขยายความของโทโพสแบบเซตจุดคลาสสิก ดังนั้นจึงควรคาดหวังว่าจะได้เห็นตัวอย่าง พฤติกรรม ที่ผิดปกติ ทั้งแบบเก่าและแบบใหม่ ตัวอย่างเช่น มีตัวอย่างหนึ่งจากปิแอร์ เดลิญ์เกี่ยวกับโทโพสที่ไม่ธรรมดาซึ่งไม่มีจุด (ดูคำจำกัดความของจุดในโทโพสด้านล่าง)
มอร์ฟิซึมเชิงเรขาคณิต
ถ้าและโทโปอิ คือมอร์ฟิซึมเชิงเรขาคณิตคือคู่ของฟังก์ชันผกผัน ( u ∗ , u ) (โดยที่u ∗ : Y → Xเป็นฟังก์ชันผกผันซ้ายของu : X → Y ) ซึ่งu ∗รักษาลิมิตจำกัดไว้ โปรดทราบว่าu ∗จะรักษาลิมิตร่วมโดยอัตโนมัติเนื่องจากมีฟังก์ชันผกผันขวา
ตามทฤษฎีบทฟังก์ชันผกผันของ Freydการให้การแปลงเชิงเรขาคณิตX → Yคือการให้ฟังก์ชันu ∗ : Y → Xที่รักษาลิมิตจำกัดและโคลิมิตขนาดเล็กทั้งหมด ดังนั้นการแปลงเชิงเรขาคณิตระหว่างโทโพอิอาจถูกมองว่าเป็นอนาล็อกของแผนที่ของโลเคิล
ถ้าและเป็นปริภูมิเชิงทอพอโลยีและเป็นการแมปแบบต่อเนื่องระหว่างพวกมัน จากนั้นการดำเนินการดึงกลับและการผลักดันไปข้างหน้าบนชีฟจะให้ผลลัพธ์เป็นการแปลงทางเรขาคณิตระหว่างโทโปอิที่เกี่ยวข้องสำหรับไซต์ต่างๆ.
จุดของภูมิประเทศ
จุดหนึ่งของโทโพสถูกกำหนดให้เป็นมอร์ฟิซึมเชิงเรขาคณิตจากโทโพสของเซตไปยัง.
ถ้าXเป็นปริภูมิธรรมดาและxเป็นจุดในXแล้วฟังก์ชันที่แปลงชีฟFไปยังสตอล์กF จะมีแอดจอยต์ขวา (ฟังก์ชัน "ชีฟตึกระฟ้า") ดังนั้นจุดธรรมดาในX จึงกำหนดจุดในทฤษฎีโทโพสได้ด้วย จุดเหล่านี้สามารถสร้าง ขึ้นได้โดยใช้การดึงกลับและการผลักไปข้างหน้าตามแผนที่ต่อเนื่องx : 1 → X
สำหรับโทโปสเอตาเลของพื้นที่จุดนั้นเป็นวัตถุที่มีความละเอียดกว่าเล็กน้อย เมื่อพิจารณาจากจุดหนึ่งจุดของแผนการพื้นฐานจุดหนึ่งของภูมิประเทศจากนั้นจึงกำหนดโดยส่วนขยายฟิลด์ที่แยกได้ของโดยที่แผนที่ที่เกี่ยวข้องปัจจัยต่างๆ ผ่านจุดเริ่มต้นจากนั้น แผนที่การแยกตัวประกอบเป็นการแปลงแบบ etaleของสกีม
กล่าวให้แม่นยำยิ่งขึ้น จุดเหล่านั้นคือ จุด สากลจุดเหล่านั้นไม่เพียงพอในตัวเองสำหรับการแสดงลักษณะเชิงพื้นที่ของโทโพส เพราะโทโพสที่ไม่ธรรมดาอาจไม่มีจุดใดๆ เลย จุด ทั่วไปคือการแปลงทางเรขาคณิตจากโทโพสY ( ขั้นตอนของการกำหนด ) ไปยังXมีจุดเหล่านี้มากพอที่จะแสดงลักษณะเชิงพื้นที่ได้ ตัวอย่างเช่น ถ้าXคือโทโพสจำแนกS [ T ] สำหรับทฤษฎีเรขาคณิตTแล้วคุณสมบัติสากลกล่าวว่าจุดของมันคือแบบจำลองของT (ในขั้นตอนใดๆ ของการกำหนดY )
มอร์ฟิซึมทางเรขาคณิตที่สำคัญ
การแปลงเชิงเรขาคณิต ( u ∗ , u ) เป็นสิ่งจำเป็นก็ต่อเมื่อu ∗มีตัวผกผันซ้ายเพิ่มเติมคือu หรือเทียบเท่า (ตามทฤษฎีบทตัวผกผัน) ก็ต่อเมื่อu ∗รักษาไม่เพียงแต่ลิมิตจำกัดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลิมิตเล็กทั้งหมดด้วย
โทโปอิวงแหวน
โทพอสแบบมีวงแหวนคือคู่ ( X , R ) โดยที่Xเป็นโทพอส และRเป็นวัตถุวงแหวน สลับ ที่ในXการสร้างปริภูมิแบบมีวงแหวน ส่วนใหญ่ ทำได้ผ่านโทพอสแบบมีวงแหวน หมวดหมู่ของ วัตถุ โมดูลRในXเป็นหมวดหมู่แบบอาเบเลียนที่มีอินเจกทีฟเพียงพอ หมวดหมู่แบบอาเบเลียนที่มีประโยชน์มากกว่าคือหมวดหมู่ย่อยของ โมดูล R กึ่งสอดคล้องกัน : โมดูล Rเหล่านี้ยอมรับการนำเสนอ
นอกจากปริภูมิที่มีวงแหวนแล้ว โทปอยแบบวงแหวนที่สำคัญอีกประเภทหนึ่งคือ โทปอยแบบเอตาเลของกลุ่มซ้อนเดลิญ-มัมฟอร์ด
ทฤษฎีโฮโมโทปีของโทโปอิ
Michael ArtinและBarry Mazur เชื่อมโยง เซตโปรซิมพลิเชียล (ขึ้นอยู่กับโฮโมโทปี ) กับไซต์ที่อยู่เบื้องหลัง โทโพส [ 4 ] (ควรพิจารณาใน Ho(pro-SS) มากกว่า ดู Edwards) การใช้ระบบผกผัน ของเซตซิมพลิเชียลนี้ บางครั้งอาจเชื่อมโยง ระบบผกผันของตัวแปรในทฤษฎีโทโพสกับ โฮโมโทปีในโทโพโลยีแบบคลาสสิก การศึกษาเซตโปรซิมพลิเชียลที่เกี่ยวข้องกับโทโพสเอตาลของสกีมเรียกว่าทฤษฎีโฮโมโทปีเอตาล [ 5 ] ในกรณีที่ดี (ถ้าสกีมเป็นโนเธอร์เรียนและมีกิ่งเดียวทางเรขาคณิต ) เซตโปรซิมพลิเชียลนี้เป็นโปรไฟไนต์
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- ↑ Illusie 2004
- ↑ Caramello, Olivia (2016). ทฤษฎีบท Grothendieck ในฐานะ 'สะพาน' ที่รวมเป็นหนึ่งเดียวในคณิตศาสตร์ (PDF) (HDR). มหาวิทยาลัยปารีส ดิดิโรต์ (ปารีส 7).
- ↑ Caramello, Olivia (2017). Theories, Sites, Toposes: Relating and studying mathematical theories through topos-theoretic 'bridges . Vol. 1. Oxford University Press. doi : 10.1093/oso/9780198758914.001.0001 . ISBN 9780198758914.
- ↑ Artin, Michael ; Mazur, Barry (1969). Etale Homotopy . Lecture Notes in Mathematics. Vol. 100. Springer-Verlag . doi : 10.1007/BFb0080957 . ISBN 978-3-540-36142-8.
- ↑ Friedlander, Eric M. (1982), Étale homotopy of simplicial schemes , Annals of Mathematics Studies, vol. 104, Princeton University Press , ISBN 978-0-691-08317-9