Абелева категория

Абелева категория — категория, в которой морфизмы можно складывать, а ядра и коядра существуют и обладают определёнными удобными свойствами. Пример, который стал прототипом абелевой категории — категория абелевых групп. Теория абелевых категорий была разработана Александром Гротендиком для объединения нескольких теорий когомологий. Класс абелевых категорий замкнут относительно нескольких категорных конструкций; например, категория цепных комплексов с элементами из абелевой категории и категория функторов из малой категории в абелеву также являются абелевыми.

Определение

Предаддитивная категория является абелевой, если:

• в ней существует нулевой объект,
• существуют все бинарные произведения и копроизведения,
• существуют все ядра и коядра,
• все мономорфизмы и эпиморфизмы нормальны.

Это определение эквивалентно следующему определению «по частям»: предаддитивная категория абелева, если она аддитивна, в ней существуют все ядра и коядра и все мономорфизмы и эпиморфизмы нормальны.

Важно, что наличие структуры абелевых групп на множествах морфизмов является следствием четырёх свойств из первого определения. Это подчёркивает фундаментальную роль категории абелевых групп в данной теории.

Примеры

• Категория абелевых групп является абелевой. Категория конечнопорождённых абелевых групп также абелева, как и категория конечных абелевых групп.
• Если [math]\displaystyle{ R }[/math] — кольцо, то категория левых (или правых) модулей над [math]\displaystyle{ R }[/math] абелева. Согласно теореме Фрейда — Митчелла о вложении, любая абелева категория эквивалентна полной подкатегории категории модулей.
• Если [math]\displaystyle{ R }[/math] — кольцо, нётеровое слева, то категория конечнопорождённых левых [math]\displaystyle{ R }[/math]-модулей является абелевой. В частности, категория конечнопорождённых модулей над нётеровым коммутативным кольцом абелева.
• Если [math]\displaystyle{ X }[/math] — топологическое пространство, то категория пучков абелевых групп на [math]\displaystyle{ X }[/math] абелева.

Аксиомы Гротендика

В статье Sur quelques points d’algèbre homologique Гротендик предложил несколько дополнительных аксиом, которые могут выполняться в абелевой категории [math]\displaystyle{ \mathcal{A} }[/math].

• AB3) Для любого множества объектов [math]\displaystyle{ (A_i)_{i\in I} }[/math] категории [math]\displaystyle{ \mathcal{A} }[/math] существует копроизведение [math]\displaystyle{ \oplus A_i }[/math]. Данная аксиома эквивалентна кополноте абелевой категории [math]\displaystyle{ \mathcal{A} }[/math].
• AB4) [math]\displaystyle{ \mathcal{A} }[/math] удовлетворяет аксиоме AB3) и копроизведение любого семейства мономорфизмов является мономорфизмом (то есть копроизведение является точным функтором).
• AB5) [math]\displaystyle{ \mathcal{A} }[/math] удовлетворяет аксиоме AB3) и фильтрованные копределы точных последовательностей точны. Эквивалентно, для любой решётки [math]\displaystyle{ (A_i)_{i\in I} }[/math] подобъектов объекта [math]\displaystyle{ A }[/math] и любого [math]\displaystyle{ B }[/math] — подобъекта объекта [math]\displaystyle{ A }[/math] верно, что [math]\displaystyle{ \sum(A_i\cap B)=\sum(A_i) \cap B. }[/math]

Аксиомы AB3*), AB4*) и AB5*) получаются из приведённых выше аксиом как двойственные им (то есть заменой копределов на пределы). Аксиомы AB1) и AB2) - стандартные аксиомы, которые выполняются в любой абелевой категории (более точно, абелева категория определяется как аддитивная категория, удовлетворяющая этим аксиомам):

• AB1) У любого морфизма существует ядро и коядро.
• AB2) Для любого морфизма [math]\displaystyle{ f:A\to B }[/math] канонический морфизм из [math]\displaystyle{ \mathrm{coim} f }[/math] в [math]\displaystyle{ \mathrm{im} f }[/math] является изоморфизмом. (Здесь [math]\displaystyle{ \mathrm{coim} f=A/\mathrm{ker} f }[/math]).

Гротендик также формулирует более сильные аксиомы AB6) и AB6*), однако не использует их в этой работе.

История

Понятие абелевой категории было предложено Буксбаумом в 1955 году (он использовал название «точная категория») и Гротендиком в 1957 году. В то время существовала теория когомологий пучков на алгебраических многообразиях и теория когомологий групп. Эти теории определялись различно, но имели сходные свойства. Гротендику удалось объединить эти теории; обе они могут быть определены при помощи производных функторов на абелевой категории пучков и абелевой категории модулей соответственно.

Литература

• D. A. Buchsbaum. Exact categories and duality // Transactions of the American Mathematical Society. — 1955. — Т. 80, № 1. — С. 1–34. — ISSN 0002-9947. — doi:10.1090/S0002-9947-1955-0074407-6. — .
• Peter Freyd. Abelian Categories. — N. Y.: Harper and Row, 1964.
• A. Grothendieck. Sur quelques points d’algèbre homologique // The Tohoku Mathematical Journal. Second Series. — 1957. — Т. 9. — С. 119–221. — ISSN 0040-8735.
• Charles A. Weibel. An Introduction to Homological Algebra. — Cambridge University Press, 1994.