Mac Laneのコヒーレンス定理

同義語:Mac Lane's coherence theoremMac Laneの一貫性定理モノイダル圏のコヒーレンス定理

概要

Mac Laneのコヒーレンス定理(Mac Lane's coherence theorem)とは、モノイダル圏で結合同型 $\alpha$ と単位同型 $\lambda,\rho$ から作った射は、変数の並びが同じ 2 つの形式的な語の間ではただ一つに決まり、そのような射が必ず存在するという定理である。五角形公理と三角形公理だけから、括弧の付け方と単位対象の入り方を変える形式的な図式がすべて可換になることが従う。帰結として、どのモノイダル圏も対象の有限列からなる厳格モノイダル圏とモノイダル同値になる。対象がたまたま等しい図式は形式的な語の比較ではないので、可換とは限らない。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: モノイダル圏, モノイダル関手, 自然変換, 圏同値

Mac Lane のコヒーレンス定理(Mac Lane's coherence theorem)は、モノイダル圏 の結合同型 $\alpha$ と単位同型 $\lambda,\rho$ から作った射は、掛ける対象の並びが同じで括弧の付け方や単位対象の入り方だけが違う 2 つの式の間では、ただ一つしかない、という定理である。たとえば $((W\otimes X)\otimes Y)\otimes Z$ から $W\otimes(X\otimes(Y\otimes Z))$ へ結合同型をつないで行く道は何通りもあるが、どの道を通っても同じ射になる。モノイダル圏の定義が課すのは 4 個の対象の五角形公理と三角形公理だけなので、これは自明ではない。
この定理があるので、モノイダル圏の計算では括弧と単位対象を省いて $W\otimes X\otimes Y\otimes Z$ と書き、結合同型・単位同型を「標準的な同型」として区別せずに扱える。同じ考えから、どのモノイダル圏も、結合と単位が等式で成り立つ厳格モノイダル圏とモノイダル同値になる(厳格化定理)。
ただし「結合同型と単位同型だけからなる図式はすべて可換」と言うときは、対象を 形式的な語 として比べる必要がある。対象どうしがたまたま等しいときに作った図式は、可換とは限らない(ex-mlc-nonformal)。この記事では、定理を形式的な語の言葉で正確に述べ、各対象 $Z$ に関手 $Z\otimes-$ を対応させる表現を使って証明し、厳格化定理を導く。

形式的な語と標準射

以下、$(\mathcal C,\otimes,I,\alpha,\lambda,\rho)$ をモノイダル圏とし、記号は モノイダル圏 の定義「モノイダル圏」に従う。結合同型は $\alpha_{X,Y,Z}\colon(X\otimes Y)\otimes Z\to X\otimes(Y\otimes Z)$、単位同型は $\lambda_X\colon I\otimes X\to X$、$\rho_X\colon X\otimes I\to X$ である。

形式的な語

$n\ge0$ とし、変数 $x_1,\dots,x_n$ と単位の記号 $e$ を用意する。語(word)を次で帰納的に定める。

  1. 各 $x_i$ と $e$ は語である。
  2. $u,v$ が語なら $(u\otimes v)$ も語である。
    語 $u$ に現れる変数を左から順に並べた列を $\ell(u)$ と書き、$u$ の 変数の列 という($e$ は数えない。同じ変数が何度現れてもよい)。対象の組 $X=(X_1,\dots,X_n)$ について、$x_i$ に $X_i$、$e$ に $I$ を代入した $\mathcal C$ の対象を $u(X)$ と書く。$u(X)$ は $X$ について関手 $\mathcal C^n\to\mathcal C$ を定める。
形式的な標準射

語の間の 形式的な標準射 と、その解釈を次で帰納的に定める。

  1. 語 $u,v,w$ について、$1_u\colon u\to u$、$\alpha_{u,v,w}\colon(u\otimes v)\otimes w\to u\otimes(v\otimes w)$、$\lambda_u\colon(e\otimes u)\to u$、$\rho_u\colon(u\otimes e)\to u$ と、$\alpha_{u,v,w},\lambda_u,\rho_u$ の形式的な逆向きの射 $\alpha^{-1}_{u,v,w},\lambda^{-1}_u,\rho^{-1}_u$ は形式的な標準射である。
  2. $\varphi\colon u\to u'$、$\psi\colon v\to v'$ が形式的な標準射なら、$\varphi\otimes\psi\colon(u\otimes v)\to(u'\otimes v')$ もそうである。
  3. $\varphi\colon u\to v$、$\psi\colon v\to w$ が形式的な標準射なら、$\psi\circ\varphi\colon u\to w$ もそうである。
    形式的な標準射 $\varphi\colon u\to v$ の 解釈 $\varphi_X\colon u(X)\to v(X)$ は、記号 $1,\alpha,\lambda,\rho$ とその逆、$\otimes$、$\circ$ を $\mathcal C$ の恒等射、構造の同型とその逆射、テンソル積、合成で読みかえて定める。$\varphi_X$ は同型射であり、$X$ について自然である。

帰納法により、形式的な標準射 $\varphi\colon u\to v$ があれば $\ell(u)=\ell(v)$ である。構造の同型は変数の順序を変えず、$e$ を足したり除いたりするだけだからである。

Mac Laneのコヒーレンス定理

$\mathcal C$ をモノイダル圏、$u,v$ を変数 $x_1,\dots,x_n$ の語とする。

  1. 一意性:$\varphi,\psi\colon u\to v$ が形式的な標準射なら、すべての対象の組 $X\in\mathcal C^n$ について $\varphi_X=\psi_X$ である。
  2. 存在:$\ell(u)=\ell(v)$ なら、形式的な標準射 $u\to v$ が存在する。
    したがって $\ell(u)=\ell(v)$ のとき、解釈が $\varphi$ の選び方によらない自然同型 $\mathrm{can}_{u,v}\colon u(-)\Rightarrow v(-)$ が定まる。これを 標準同型 という。
定理の言いかえと証明の方針

1 は「形式的な標準射だけからなる図式は可換」と言いかえられる。MacL98 は §VII.2 の Theorem 1 と系(pp. 166–170)でこれを、一変数の語のなす自由モノイダル圏の普遍性として述べ、結合同型の向きをそろえた道を「階数」で整理する書きかえの議論で証明している。この記事の証明はそれとは別の道筋で、1 を下の lem-mlc-action に帰着させる。2 は下の lem-mlc-normal-form から従う。

標準同型の例
  1. 4 個の対象:変数の列が $(x_1,x_2,x_3,x_4)$ で $e$ を含まない語は 5 つあり、結合同型 1 回で移り合うものを結ぶと五角形になる。五角形の 2 通りの道が一致することは、五角形公理そのものである。5 個の対象では語が 14 個になり、thm-mlc-main の 1 は、この 14 個の頂点の間のすべての道が一致することを主張する。
  2. $\lambda_I=\rho_I$:$\lambda_e$ と $\rho_e$ はどちらも語 $(e\otimes e)$ から $e$ への形式的な標準射なので、thm-mlc-main の 1 により $\lambda_I=\rho_I$ である。これは モノイダル圏 の命題「Kelly の等式」の第 2 式にあたる(下の証明はその第 1 式を使うが、第 2 式は使わない)。
  3. 一般結合法則:モノイダル圏の中のモノイド対象 $(M,\mu,\eta)$ では、$M$ を $n$ 個掛ける括弧の付け方の違う積が、標準同型を通して一致する(MacL98 §VII.3 の Proposition 1、p. 171)。

一意性の証明

方針は、各語 $u$ の解釈 $u(X)$ を「右から $Y$ を掛ける操作」で表すことである。$Y\mapsto u(X)\otimes Y$ という関手を、括弧の付け方によらない形 $X_{i_1}\otimes(X_{i_2}\otimes(\cdots\otimes(X_{i_k}\otimes Y)))$ と比べる同型を作ると、形式的な標準射はこの比較の同型と両立する。比較の同型は語だけで決まるので、標準射も一つに決まる。

右作用による表示

対象の組 $X=(X_1,\dots,X_n)$ を固定する。語 $u$ と対象 $Y$ について、対象 $R_u(Y)$ と同型 $J_u(Y)\colon R_u(Y)\to u(X)\otimes Y$ を、語の構成について帰納的に次で定める。

  1. $R_{x_i}(Y)=X_i\otimes Y$、$J_{x_i}(Y)=1_{X_i\otimes Y}$。
  2. $R_e(Y)=Y$、$J_e(Y)=\lambda_Y^{-1}\colon Y\to I\otimes Y$。
  3. $u=(v\otimes w)$ のとき、$V=v(X)$、$W=w(X)$ として $R_u(Y)=R_v(R_w(Y))$ とし、
    $$ J_u(Y)=\alpha^{-1}_{V,W,Y}\circ\bigl(1_V\otimes J_w(Y)\bigr)\circ J_v\bigl(R_w(Y)\bigr)\colon R_v(R_w(Y))\to V\otimes R_w(Y)\to V\otimes(W\otimes Y)\to(V\otimes W)\otimes Y. $$

帰納法により、$\ell(u)=(i_1,\dots,i_k)$ なら $R_u(Y)=X_{i_1}\otimes(X_{i_2}\otimes(\cdots\otimes(X_{i_k}\otimes Y)))$ であり($k=0$ なら $R_u(Y)=Y$)、$R_u$ は $u$ の変数の列だけで決まる。

標準射は右作用の表示と両立する

$\varphi\colon u\to v$ を形式的な標準射とする。すべての対象 $Y$ について
$$ (\varphi_X\otimes1_Y)\circ J_u(Y)=J_v(Y)\colon R_u(Y)\to v(X)\otimes Y $$
が成り立つ($\ell(u)=\ell(v)$ なので $R_u(Y)=R_v(Y)$ である)。

等式を満たす $\varphi$ を「両立する」と呼ぶ。両立する射の全体が、恒等射・構造の同型 $\alpha,\lambda,\rho$ を含み、逆・合成・テンソル積で閉じていることを示せばよい。恒等射は明らかに両立する。$\varphi\colon u\to v$、$\psi\colon v\to w$ が両立すれば、$-\otimes1_Y$ が関手なので $((\psi\circ\varphi)_X\otimes1_Y)\circ J_u(Y)=(\psi_X\otimes1_Y)\circ J_v(Y)=J_w(Y)$ である。$\varphi$ が両立すれば、等式に左から $\varphi_X^{-1}\otimes1_Y$ を合成して $\varphi^{-1}$ も両立する。
$\alpha$ の場合は五角形公理、$\lambda$ の場合は Kelly の等式、$\rho$ の場合は三角形公理に帰着する。テンソル積の場合は双関手性と $\alpha$ の自然性による。

4 つの場合の計算を開く

以下 $U=u(X)$ などと書き、$X$ の添字は省く。

テンソル積.$\varphi\colon u\to u'$、$\psi\colon v\to v'$ が両立するとする。$\alpha^{-1}$ の自然性から $((\varphi\otimes\psi)\otimes1_Y)\circ\alpha^{-1}_{U,V,Y}=\alpha^{-1}_{U',V',Y}\circ(\varphi\otimes(\psi\otimes1_Y))$ である。双関手性と $\psi$ の両立から $(\varphi\otimes(\psi\otimes1_Y))\circ(1_U\otimes J_v(Y))=\varphi\otimes J_{v'}(Y)=(1_{U'}\otimes J_{v'}(Y))\circ(\varphi\otimes1_{R_v(Y)})$ である。最後に $\varphi$ の両立を対象 $R_v(Y)$ に使うと $(\varphi\otimes1_{R_v(Y)})\circ J_u(R_v(Y))=J_{u'}(R_v(Y))$ である。$R_v=R_{v'}$ なので、合わせて

$$((\varphi\otimes\psi)\otimes1_Y)\circ J_{u\otimes v}(Y)=\alpha^{-1}_{U',V',Y}\circ(1_{U'}\otimes J_{v'}(Y))\circ J_{u'}(R_{v'}(Y))=J_{u'\otimes v'}(Y)$$

を得る。

$\alpha_{u,v,w}$.定義から

$$J_{(u\otimes v)\otimes w}(Y)=\alpha^{-1}_{U\otimes V,W,Y}\circ(1_{U\otimes V}\otimes J_w(Y))\circ\alpha^{-1}_{U,V,R_w(Y)}\circ(1_U\otimes J_v(R_w(Y)))\circ J_u(R_vR_w(Y)),$$

$$J_{u\otimes(v\otimes w)}(Y)=\alpha^{-1}_{U,V\otimes W,Y}\circ\bigl(1_U\otimes\alpha^{-1}_{V,W,Y}\bigr)\circ\bigl(1_U\otimes(1_V\otimes J_w(Y))\bigr)\circ(1_U\otimes J_v(R_w(Y)))\circ J_u(R_vR_w(Y))$$

である。$\alpha^{-1}$ の第 3 変数についての自然性で $(1_{U\otimes V}\otimes J_w(Y))\circ\alpha^{-1}_{U,V,R_w(Y)}=\alpha^{-1}_{U,V,W\otimes Y}\circ(1_U\otimes(1_V\otimes J_w(Y)))$ と書きかえ、両式に共通な右側の同型 $(1_U\otimes(1_V\otimes J_w(Y)))\circ(1_U\otimes J_v(R_w(Y)))\circ J_u(R_vR_w(Y))$ を除くと、示すべき式は

$$(\alpha_{U,V,W}\otimes1_Y)\circ\alpha^{-1}_{U\otimes V,W,Y}\circ\alpha^{-1}_{U,V,W\otimes Y}=\alpha^{-1}_{U,V\otimes W,Y}\circ(1_U\otimes\alpha^{-1}_{V,W,Y})$$

になる。両辺の逆射をとり、右から $\alpha_{U,V,W}\otimes1_Y$ を合成すると $\alpha_{U,V,W\otimes Y}\circ\alpha_{U\otimes V,W,Y}=(1_U\otimes\alpha_{V,W,Y})\circ\alpha_{U,V\otimes W,Y}\circ(\alpha_{U,V,W}\otimes1_Y)$ となり、これは対象 $(U,V,W,Y)$ の五角形公理である。$\alpha^{-1}$ の両立は、上で示した逆の場合から従う。

$\lambda_u$.$J_{e\otimes u}(Y)=\alpha^{-1}_{I,U,Y}\circ(1_I\otimes J_u(Y))\circ\lambda^{-1}_{R_u(Y)}$ であり、$\lambda^{-1}$ の自然性から $(1_I\otimes J_u(Y))\circ\lambda^{-1}_{R_u(Y)}=\lambda^{-1}_{U\otimes Y}\circ J_u(Y)$ である。モノイダル圏 の命題「Kelly の等式」の第 1 式 $\lambda_{U\otimes Y}\circ\alpha_{I,U,Y}=\lambda_U\otimes1_Y$ から $(\lambda_U\otimes1_Y)\circ\alpha^{-1}_{I,U,Y}=\lambda_{U\otimes Y}$ なので、$(\lambda_U\otimes1_Y)\circ J_{e\otimes u}(Y)=\lambda_{U\otimes Y}\circ\lambda^{-1}_{U\otimes Y}\circ J_u(Y)=J_u(Y)$ である。

$\rho_u$.$R_e(Y)=Y$ なので $J_{u\otimes e}(Y)=\alpha^{-1}_{U,I,Y}\circ(1_U\otimes\lambda^{-1}_Y)\circ J_u(Y)$ である。三角形公理 $(1_U\otimes\lambda_Y)\circ\alpha_{U,I,Y}=\rho_U\otimes1_Y$ から $(\rho_U\otimes1_Y)\circ\alpha^{-1}_{U,I,Y}\circ(1_U\otimes\lambda^{-1}_Y)=1_{U\otimes Y}$ なので、$(\rho_U\otimes1_Y)\circ J_{u\otimes e}(Y)=J_u(Y)$ である。$\square$

thm-mlc-main の 1 の証明. $\varphi,\psi\colon u\to v$ を形式的な標準射とする。lem-mlc-action から $(\varphi_X\otimes1_Y)\circ J_u(Y)=J_v(Y)=(\psi_X\otimes1_Y)\circ J_u(Y)$ であり、$J_u(Y)$ は同型なので、すべての $Y$ について $\varphi_X\otimes1_Y=\psi_X\otimes1_Y$ である。$Y=I$ とし、$\rho$ の自然性 $\rho_{v(X)}\circ(\varphi_X\otimes1_I)=\varphi_X\circ\rho_{u(X)}$ を使うと
$$ \varphi_X=\rho_{v(X)}\circ(\varphi_X\otimes1_I)\circ\rho_{u(X)}^{-1}=\rho_{v(X)}\circ(\psi_X\otimes1_I)\circ\rho_{u(X)}^{-1}=\psi_X $$
を得る。$\square$

この証明は、モノイダル圏 $\mathcal C$ を、自己関手の圏の中に $Z\mapsto Z\otimes-$ で埋め込むことを、成分で書いたものである。自己関手の合成は結合法則を等式として満たすので、そこでは標準射がすべて恒等射になり、埋め込みが忠実であることから $\mathcal C$ の側でも一意性が従う。

存在の証明

変数の列 $s=(i_1,\dots,i_k)$ について、正規形 の語 $n(s)$ を、$k=0$ なら $e$、$k\ge1$ なら $x_{i_1}\otimes(x_{i_2}\otimes(\cdots\otimes x_{i_k}))$(括弧はすべて右に寄せる)と定める。

正規形への標準射

どの語 $u$ にも、形式的な標準射 $u\to n(\ell(u))$ がある。

まず、列 $s,t$ について形式的な標準射 $c_{s,t}\colon n(s)\otimes n(t)\to n(st)$ があることを、$s$ の長さについての帰納法で示す($st$ は列の連結)。$s$ が空なら $c_{s,t}=\lambda_{n(t)}$、$t$ が空なら $c_{s,t}=\rho_{n(s)}$ とする。$s=(i)$ で $t$ が空でなければ $n(s)\otimes n(t)=n(st)$ なので恒等射をとる。$s=(i)s'$ で $s'$ も $t$ も空でなければ、$n(s)=x_i\otimes n(s')$ であり、
$$ c_{s,t}=\bigl(1_{x_i}\otimes c_{s',t}\bigr)\circ\alpha_{x_i,n(s'),n(t)}\colon(x_i\otimes n(s'))\otimes n(t)\to x_i\otimes(n(s')\otimes n(t))\to x_i\otimes n(s't) $$
とすればよい。次に語 $u$ の構成について帰納法を使う。$u=x_i$ と $u=e$ では恒等射をとる。$u=(v\otimes w)$ で $\varphi\colon v\to n(\ell(v))$、$\psi\colon w\to n(\ell(w))$ があれば、$c_{\ell(v),\ell(w)}\circ(\varphi\otimes\psi)$ が $u\to n(\ell(u))$ を与える。$\square$

thm-mlc-main の 2 の証明. $\ell(u)=\ell(v)=s$ なら、lem-mlc-normal-form の $\varphi\colon u\to n(s)$ と $\psi\colon v\to n(s)$ から $\psi^{-1}\circ\varphi\colon u\to v$ が得られる。ここで $\psi^{-1}$ は、$\psi$ を作る各段の構造の射を形式的な逆に取りかえ、合成の順を逆にしたものである。$\square$

厳格化定理

コヒーレンス定理から、モノイダル圏を厳格なものに取りかえられることが従う。厳格モノイダル圏と強モノイダル関手・モノイダル同値の定義は、モノイダル圏 の定義「厳格モノイダル圏」と モノイダル関手 の定義「強モノイダル関手と厳格モノイダル関手」「モノイダル同値」に従う。

厳格化定理

任意のモノイダル圏 $\mathcal C$ は、ある厳格モノイダル圏 $\mathcal S$ とモノイダル同値である。$\mathcal S$ として、$\mathcal C$ の対象の有限列を対象とするものがとれる。

$\mathcal C$ の対象の有限列 $s=(b_1,\dots,b_k)$($k\ge0$)を $\mathcal S$ の対象とし、$N(s)=n(s)(b_1,\dots,b_k)$($k=0$ なら $I$、$k=1$ なら $b_1$)として $\mathcal S(s,t)=\mathcal C(N(s),N(t))$ とおく。合成は $\mathcal C$ の合成である。列 $s,u$ について、列の各位置に別々の変数を割り当てて得る標準同型 $c_{s,u}\colon N(s)\otimes N(u)\to N(su)$(語 $n(s)\otimes n(u)$ から $n(su)$ への $\mathrm{can}$)を使い、対象のテンソル積を列の連結 $su$、射 $f\colon s\to t$、$g\colon u\to v$ のテンソル積を
$$ f\cdot g=c_{t,v}\circ(f\otimes g)\circ c_{s,u}^{-1}\colon N(su)\to N(tv) $$
と定める。この $\cdot$ が厳格モノイダル圏の構造を与え、$b\mapsto(b)$ がモノイダル同値 $\mathcal C\to\mathcal S$ を与えることを確かめる。要点は、確かめるべき等式の両辺がどれも、同じ 2 つの語の間の標準射の解釈になっていて、thm-mlc-main の 1 により一致することである。

確かめを開く

双関手.$(f'\cdot g')\circ(f\cdot g)=c\circ(f'\otimes g')\circ c^{-1}\circ c\circ(f\otimes g)\circ c^{-1}=c\circ((f'f)\otimes(g'g))\circ c^{-1}=(f'f)\cdot(g'g)$ であり、$1\cdot1=1$ である。

結合が等式.対象については列の連結なので $(su)w=s(uw)$ である。射 $f\colon s\to t$、$g\colon u\to v$、$h\colon w\to y$ について、$\alpha$ の自然性 $f\otimes(g\otimes h)=\alpha\circ((f\otimes g)\otimes h)\circ\alpha^{-1}$ を使うと

$$(f\cdot g)\cdot h=A_{t,v,y}\circ((f\otimes g)\otimes h)\circ A_{s,u,w}^{-1},\qquad f\cdot(g\cdot h)=B_{t,v,y}\circ((f\otimes g)\otimes h)\circ B_{s,u,w}^{-1}$$

となる。ここで $A_{t,v,y}=c_{tv,y}\circ(c_{t,v}\otimes1)$、$B_{t,v,y}=c_{t,vy}\circ(1\otimes c_{v,y})\circ\alpha_{N(t),N(v),N(y)}$ はどちらも語 $(n(t)\otimes n(v))\otimes n(y)$ から $n(tvy)$ への形式的な標準射の解釈なので、thm-mlc-main の 1 により $A=B$ である。よって $(f\cdot g)\cdot h=f\cdot(g\cdot h)$ である。

単位が等式.空の列 $\emptyset$ を単位とする。$c_{\emptyset,s}$ と $\lambda_{N(s)}$ はどちらも語 $e\otimes n(s)$ から $n(s)$ への標準射の解釈なので等しく、$\lambda$ の自然性から $1_\emptyset\cdot f=\lambda\circ(1_I\otimes f)\circ\lambda^{-1}=f$ である。同様に $c_{s,\emptyset}=\rho_{N(s)}$ から $f\cdot1_\emptyset=f$ である。こうして $\mathcal S$ は、結合同型・単位同型を恒等射とする厳格モノイダル圏になる(五角形・三角形公理は自明に成り立ち、恒等射が自然であることは上の 2 つの等式そのものである)。

強モノイダル関手.$G\colon\mathcal C\to\mathcal S$ を $G(b)=(b)$、$G(f)=f$ で定める。$G(b)\cdot G(b')=(b,b')$ と $G(b\otimes b')=(b\otimes b')$ はどちらも $N$ が $b\otimes b'$ なので、$\mu_{b,b'}\colon(b,b')\to(b\otimes b')$ を恒等射 $1_{b\otimes b'}$、$u_0\colon\emptyset\to(I)$ を $1_I$ とする。1 文字の列 $(b),(b')$ について $c_{(b),(b')}$ は語 $x_1\otimes x_2$ の恒等射なので、$G(f)\cdot G(g)=f\otimes g$ であり、$\mu$ は自然である。結合の公理:$c_{(b\otimes b'),(b'')}$ は恒等射、$c_{(b,b'),(b'')}=\alpha_{b,b',b''}$ なので $\mu_{b,b'}\cdot1_{(b'')}=\alpha^{-1}_{b,b',b''}$ であり、$1_{(b)}\cdot\mu_{b',b''}=1$ なので、公理の両辺は $\alpha\circ1\circ\alpha^{-1}=1$ と $1$ になって一致する。単位の公理:$u_0\cdot1_{(b)}=c_{(I),(b)}\circ1\circ c^{-1}_{\emptyset,(b)}=\lambda_b^{-1}$ なので $G(\lambda_b)\circ\mu_{I,b}\circ(u_0\cdot1)=\lambda_b\circ\lambda_b^{-1}=1$ であり、右の単位も $\rho$ で同様である。

圏同値.$\mathcal S((b),(b'))=\mathcal C(b,b')$ で $G$ は射の上で恒等なので、充満忠実である。どの列 $s$ も、恒等射 $1_{N(s)}\colon N(s)\to N((N(s)))$ を通して $G(N(s))$ と同型なので、$G$ は本質的全射である。よって $G$ は圏同値であり、モノイダル関手 の定理「強モノイダルな圏同値の擬逆」によりモノイダル同値である。$\square$

この構成は MacL98 §XI.3 の Theorem 1(p. 257)の証明と同じ形である。そこでは逆に、厳格なモノイダル圏とのモノイダル同値から結合同型についてのコヒーレンスを導く議論も述べられている(同 Theorem 2、p. 259)。厳格化定理は、もとの圏で $(X\otimes Y)\otimes Z$ と $X\otimes(Y\otimes Z)$ が等しくなると言うのではない。等しくなるのは、同値な別の圏 $\mathcal S$ の中である。

形式的でない図式

thm-mlc-main は、形式的な語の間の標準射を比べる定理である。$\mathcal C$ の中で対象がたまたま等しくなると、構造の射だけで作った図式でも可換でないことがある。

対象が重なると可換でない図式

$\mathbb Z/2=\{0,1\}$ を対象とし、各対象の自己射を $\{\pm1\}$(積で合成)、異なる対象の間には射がない圏 $\mathcal Z$ を考える。テンソル積を対象については $\mathbb Z/2$ の和、射については積 $s\otimes t=st$ とし、単位対象を $0$、$\lambda,\rho$ を恒等射、結合同型を
$$ \alpha_{a,b,c}=(-1)^{abc}\in\operatorname{Aut}(a+b+c) $$
とする。これはモノイダル圏であり、$\alpha_{1,1,1}=-1$ は、同じ対象 $1=(1+1)+1=1+(1+1)$ の恒等射 $1_1$ と異なる。語 $(x_1\otimes x_1)\otimes x_1$ と $x_1\otimes(x_1\otimes x_1)$ は異なる語なので、thm-mlc-main とは矛盾しない。

モノイダル圏であることの確かめを開く

$\pm1$ は可換なので、$\otimes$ は双関手であり、どの族も自然である。五角形公理は $\alpha_{a,b,c+d}\,\alpha_{a+b,c,d}=\alpha_{b,c,d}\,\alpha_{a,b+c,d}\,\alpha_{a,b,c}$ になる($1_a\otimes\alpha_{b,c,d}=\alpha_{b,c,d}$)。$(-1)^m$ は $m$ の偶奇だけで決まり、$a+b$ などの $\mathbb Z/2$ の和はふつうの和と偶奇が同じなので、指数を整数の多項式として比べればよい。左辺の指数 $ab(c+d)+(a+b)cd=abc+abd+acd+bcd$ と右辺の指数 $bcd+a(b+c)d+abc$ は一致する。三角形公理は $\alpha_{a,0,b}=(-1)^0=1$ から成り立つ。$\square$

$\mathcal Z$ 自身は $\alpha_{1,1,1}\ne1$ なので厳格モノイダル圏ではない。thm-mlc-strictification が与える厳格モノイダル圏 $\mathcal S$ は、対象を有限列に取りかえた別の圏である。

反例の表

外す条件反例成り立たなくなること
五角形公理モノイダル圏 の注意「反例:五角形公理を満たさない結合同型」の、$\mathbb Z/2$ から作る圏一意性:語 $((x_1\otimes x_2)\otimes x_3)\otimes x_4$ から $x_1\otimes(x_2\otimes(x_3\otimes x_4))$ への 2 本の標準射の解釈が一致する
三角形公理アーベル群のテンソル積 $(\mathbf{Ab},\otimes_{\mathbb Z},\mathbb Z)$ で、右単位同型だけを $-\rho$ に取りかえたもの一意性:語 $(x_1\otimes e)\otimes x_2$ から $x_1\otimes x_2$ への標準射 $(1\otimes\lambda)\circ\alpha$ と $\rho\otimes1$ の解釈が一致する
形式的な語として比べるex-mlc-nonformal の圏 $\mathcal Z$同じ対象の間の、構造の射から作った射がすべて等しいこと($\alpha_{1,1,1}\ne1_1$)
標準射を $\alpha,\lambda,\rho$ だけから作るベクトル空間のテンソル積に対称 $\sigma_{V,W}(v\otimes w)=w\otimes v$ を加え、$V=W=k^2$ とする一意性:$\sigma_{V,V}$ と $1_{V\otimes V}$ はどちらも $V\otimes V$ から $V\otimes V$ への射だが等しくない
表の反例の確かめ

1 行目は モノイダル圏 の該当の注意で、三角形公理と自然性を保ったまま五角形公理の 2 経路が異なる射になることが確かめられている。五角形公理の両辺はどちらも形式的な標準射の解釈なので、一意性が破れる。

2〜4 行目の確かめを開く

2 行目.$\rho'_A:=-\rho_A$ は自然同型で、$\alpha$ は変えないので五角形公理は成り立つ。三角形公理は $(1\otimes\lambda_B)\circ\alpha_{A,\mathbb Z,B}=\rho_A\otimes1_B$ から $\rho'_A\otimes1_B=-(1\otimes\lambda_B)\circ\alpha_{A,\mathbb Z,B}$ となり、$A=B=\mathbb Z$ では $\mathbb Z\otimes\mathbb Z\cong\mathbb Z$ 上で $-1\ne1$ なので成り立たない。$(1\otimes\lambda)\circ\alpha$ と $\rho'\otimes1$ は同じ 2 つの語の間の形式的な標準射の解釈なので、一意性が破れる。

3 行目.ex-mlc-nonformal で確かめた。

4 行目.$e_1,e_2$ を $k^2$ の基底とすると $\sigma(e_1\otimes e_2)=e_2\otimes e_1\ne e_1\otimes e_2$ である。$\sigma$ を標準射に加えると、同じ語 $x_1\otimes x_1$ の間に恒等射と異なる射ができる。$\square$

一般化

  • 対称モノイダル圏:対称 $\sigma$ も標準射に加えると、変数をすべて異なるものとし、語に変数の置換を添えて比べる形で、標準射の一意性が成り立つ(MacL98 §XI.1 の Theorem 1、p. 253。この記事では証明しない)。組紐モノイダル圏 では同じ形の主張は成り立たず、2 つの対象 $a,b$ について $a\otimes b$ の標準的な自己同型が無限個ありうる(MacL98 §XI.5、p. 263)。そこでは ブレイド群 を使う別の形のコヒーレンス定理が成り立つ(同 Theorem 1、p. 263)。
  • 双圏:対象が 1 つの 双圏 はモノイダル圏と同じものである。一般の双圏は、ある 2圏と双同値になる(JY20 定理 8.4.1、p. 238。この記事では証明しない)。これは thm-mlc-strictification の多対象版にあたる。
  • モノイド対象:ex-mlc-examples の 3 のように、コヒーレンス定理はモノイダル圏の中の代数構造の計算で、括弧を気にせずに済む根拠になる。

補足

  • 定義の語と標準射は、MacL98 §VII.2 の「同じ長さの語の間の標準射」に、変数の名前を区別する形で合わせたものである。そこでは自由モノイダル圏の普遍性(Theorem 1、p. 166)と、各モノイダル圏の中の標準射の一意性(系、p. 169)が述べられている。
  • 証明に使った Kelly の等式は モノイダル圏 で証明されている。ex-mlc-examples の 2 のとおり、その第 2 式 $\lambda_I=\rho_I$ はコヒーレンス定理から従う。

関連項目

参考文献

[1]
Saunders Mac Lane, Categories for the Working Mathematician, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics 5, Springer, 1998, §VII.2(Theorem 1、p. 166。系、pp. 169–170)、§VII.3(Proposition 1、p. 171)、§XI.1(Theorem 1、p. 253)、§XI.3(Theorem 1、p. 257。Theorem 2、p. 259)、§XI.5(p. 263)

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