Une
catégorie est la donnée :
- d'une "collection" d'objets C
- pour chaque couple d'objets X et Y de C, d'un ensemble d'objets appelés
morphismes ou
flèches de X dans Y.
Avec en plus quelques axiomes simples, qui doivent être (de mémoire) :
- Si u : Y->Z et v : X->Y sont deux morphismes, alors il existe un morphisme composé uov : X->Z
- Cette composition est associative.
- Pour tout X dans C, il existe un morphisme Id : X->X, appelé l'identité de X, qui est un élément neutre pour la composition.
Exemples :
- La catégorie
Ens de tous les ensembles, où les morphismes sont toutes les applications.
- La catégorie de tous les groupes, où les morphismes sont les morphismes de groupes.
- La catégorie des espaces vectoriels, où les morphismes sont les applications linéaires.
- La catégorie des ensembles ordonnés, où les morphismes sont les applications croissantes.
- La catégorie des espaces topologiques, où les morphismes sont les applications continues.
- etc....
Le problème dans la définition est bien sûr le sens qu'on doit donner à "collection" (l'ensemble de tous les ensembles / de tous les groupes / de tous les espaces vectoriels, ça n'existe pas...). Il est possible de contourner le problème de plusieurs façons :
- On peut définir la catégorie formellement, par une formule de la théorie des ensembles. La collection n'est plus alors qu'une "chaîne de caractères" décrivant ce qu'est un groupe, par exemple.
- On peut dire que la "catégorie des groupes" n'est qu'un ensemble de groupes, qui ne contient pas tous les groupes mais qui contient tous ceux dont on a besoin par la suite.
On ne s'intéresse plus ensuite à ce problème de définition ensembliste.
Un
foncteur est une application F d'une catégorie C dans une catégorie C' (c'est à dire qui à un objet X de C associe un objet F(X) de C', et à un morphisme u:X->Y associe un morphisme F(u):F(X)->F(Y) ), telle que F(uov) = F(u)oF(v).
Par exemple, le
foncteur d'oubli, de la catégorie des groupes (ou espaces vectoriels, ou ce que vous voulez), dans la catégorie des ensembles, qui à un groupe associe le même groupe considéré comme un ensemble.
Ou bien le foncteur dans les espaces vectoriels, qui à E associe L(F,E), F étant un espace vectoriel fixé.
Des tas de choses en algèbre s'exprime à l'aide des catégories et des foncteurs. C'est un niveau d'abstraction supérieur très utile
(=> groupes fondamentaux, groupes d'homologie, dualité...)
Par exemple, la
catégorie opposée d'une catégorie C est la catégorie formée des mêmes objets, dans laquelle on a inversé le sens des flèches.
Une
dualité de C est un foncteur de C sur sa catégorie opposée. Par exemple, la dualité des espaces vectoriels, avec la transposition :
t(f o g)=
tg o
tf