범주론 에서 이차 범주 (二次範疇, 영어 : bicategory )는 범주 의 개념과 모노이드 범주 의 개념의 공통적인 일반화이다.
이차 범주 는 다음과 같은 데이터로 주어진다.
모임
Ob
(
C
)
{\displaystyle \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
. 그 원소를 0차 세포 (零次細胞, 영어 : 0-cell )라고 한다.
임의의 두 0차 세포
X
,
Y
∈
Ob
(
C
)
{\displaystyle X,Y\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
에 대하여, 범주
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}(X,Y)}
.
이 범주의 대상
f
∈
Ob
(
C
(
X
,
Y
)
)
{\displaystyle f\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}}(X,Y))}
은
f
:
X
→
Y
{\displaystyle f\colon X\to Y}
인 1차 세포 (一次細胞, 영어 : 1-cell )라고 한다.
이 범주의 사상
α
:
f
⇒
g
{\displaystyle \alpha \colon f\Rightarrow g}
은 (두 1차 세포 사이의) 2차 세포 (二次細胞, 영어 : 2-cell )라고 한다.
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}(X,Y)}
의 사상의 합성을 2차 세포의 수직 합성 (垂直合成, 영어 : vertical composition )이라고 한다.
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}(X,Y)}
의 항등 사상 을 1차 세포의 항등 2차 세포 (恒等二次細胞, 영어 : identity 2-cell )라고 한다.
임의의 세 0차 세포
X
,
Y
,
Z
∈
Ob
(
C
)
{\displaystyle X,Y,Z\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
에 대하여, 함자
(
⊗
X
,
Y
,
Z
)
:
C
(
Y
,
Z
)
×
C
(
X
,
Y
)
→
C
(
X
,
Z
)
{\displaystyle (\otimes _{X,Y,Z})\colon {\mathcal {C}}(Y,Z)\times {\mathcal {C}}(X,Y)\to {\mathcal {C}}(X,Z)}
. 이를 수평 합성 함자 (水平合成函子, 영어 : horizontal composition functor )라고 한다. 수평 합성 함자의, 대상에 대한 상을 1차 세포의 합성 이라고 하며, 사상에 대한 상을 2차 세포의 수평 합성 (水平合成, 영어 : horizontal composition of 2-cells )이라고 한다.
임의의 0차 세포
X
∈
Ob
(
C
)
{\displaystyle X\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
에 대하여, 1차 세포
id
X
∈
C
(
X
,
X
)
{\displaystyle \operatorname {id} _{X}\in {\mathcal {C}}(X,X)}
. 이를 항등 1차 세포 (恒等一次細胞, 영어 : identity 1-cell )라고 한다.
임의의 두 0차 세포
X
,
Y
∈
Ob
(
C
)
{\displaystyle X,Y\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
에 대하여, 자연 동형
λ
C
(
X
,
Y
)
:
Id
C
(
X
,
Y
)
⇒
Id
C
(
X
,
Y
)
∘
Const
id
X
{\displaystyle \lambda _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\colon \operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\Rightarrow \operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\circ \operatorname {Const} _{\operatorname {id} _{X}}}
및
ρ
C
(
X
,
Y
)
:
Id
C
(
X
,
Y
)
⇒
Const
id
Y
∘
Id
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle \rho _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\colon \operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\Rightarrow \operatorname {Const} _{\operatorname {id} _{Y}}\circ \operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(X,Y)}}
.
ρ
{\displaystyle \rho }
를 오른쪽 항등자 (-恒等子, 영어 : right unitor )라고 하며,
λ
{\displaystyle \lambda }
를 왼쪽 항등자 (-恒等子, 영어 : left unitor )라고 한다.
즉, 그 성분은 각
f
∈
Ob
(
C
(
X
,
Y
)
)
{\displaystyle f\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}}(X,Y))}
에 대하여
ρ
f
∈
hom
C
(
X
,
Y
)
(
f
⊗
Id
X
,
f
)
{\displaystyle \rho _{f}\in \hom _{{\mathcal {C}}(X,Y)}(f\otimes \operatorname {Id} _{X},f)}
및
λ
f
∈
hom
C
(
X
,
Y
)
(
Id
Y
⊗
f
,
f
)
{\displaystyle \lambda _{f}\in \hom _{{\mathcal {C}}(X,Y)}(\operatorname {Id} _{Y}\otimes f,f)}
이다.
임의의 네 0차 세포
X
,
Y
,
Z
,
W
∈
Ob
(
C
)
{\displaystyle X,Y,Z,W\in \operatorname {Ob} ({\mathcal {C}})}
에 대하여, 자연 동형
α
:
(
⊗
X
,
Z
,
W
)
∘
(
⊗
X
,
Y
,
Z
)
×
Id
C
(
Z
,
W
)
⇒
(
⊗
X
,
Y
,
W
)
∘
(
Id
C
(
X
,
Y
)
×
C
Y
,
Z
,
W
)
{\displaystyle \alpha \colon (\otimes _{X,Z,W})\circ (\otimes _{X,Y,Z})\times \operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(Z,W)}\Rightarrow (\otimes _{X,Y,W})\circ (\operatorname {Id} _{{\mathcal {C}}(X,Y)}\times {\mathcal {C}}_{Y,Z,W})}
. 이를 결합자 (結合子, 영어 : associator )라고 한다.
즉, 그 성분은 각
f
∈
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle f\in {\mathcal {C}}(X,Y)}
및
g
∈
C
(
Y
,
Z
)
{\displaystyle g\in {\mathcal {C}}(Y,Z)}
및
h
∈
C
(
Z
,
W
)
{\displaystyle h\in {\mathcal {C}}(Z,W)}
에 대하여
C
(
X
,
W
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}(X,W)}
의 사상
α
f
,
g
,
h
:
α
(
f
⊗
g
)
⊗
h
→
α
f
⊗
(
g
⊗
h
)
{\displaystyle \alpha _{f,g,h}\colon \alpha _{(f\otimes g)\otimes h}\to \alpha _{f\otimes (g\otimes h)}}
이다.
이는 다음 조건을 만족시켜야 한다.
(오각형 항등식 五角形恒等式 영어 : pentagon identity ) 네 1차 세포
X
→
f
Y
→
g
Z
→
h
W
→
k
V
{\displaystyle X{\xrightarrow {f}}Y{\xrightarrow {g}}Z{\xrightarrow {h}}W{\xrightarrow {k}}V}
에 대하여, 다음과 같은 꼴의 그림이 가환 그림이어야 한다. 여기서 각 사상들은 모두 결합자의 성분들이다.
(
(
f
⊗
g
)
⊗
h
)
⊗
k
→
(
f
⊗
g
)
⊗
(
h
⊗
k
)
→
f
⊗
(
g
⊗
(
h
⊗
k
)
)
↓
↑
(
f
⊗
(
g
⊗
h
)
)
⊗
k
→
f
⊗
(
(
g
⊗
h
)
⊗
k
)
{\displaystyle {\begin{matrix}((f\otimes g)\otimes h)\otimes k&\to &(f\otimes g)\otimes (h\otimes k)&\to &f\otimes (g\otimes (h\otimes k))\\\downarrow &&&&\uparrow \\(f\otimes (g\otimes h))\otimes k&&\to &&f\otimes ((g\otimes h)\otimes k)\end{matrix}}}
(삼각형 항등식 三角形恒等式 영어 : triangle identity ) 두 1차 세포
X
→
f
Y
→
g
Z
{\displaystyle X{\xrightarrow {f}}Y{\xrightarrow {g}}Z}
에 대하여, 다음과 같은 꼴의 그림이 가환 그림이어야 한다.
(
f
⊗
Id
Y
)
⊗
g
→
α
f
⊗
(
Id
Y
⊗
g
)
−
−
−
ρ
↘
↙
λ
−
−
−
f
⊗
g
{\displaystyle {\begin{matrix}(f\otimes \operatorname {Id} _{Y})\otimes g&{\overset {\alpha }{\to }}&f\otimes (\operatorname {Id} _{Y}\otimes g)\\{\color {White}---}{\scriptstyle \rho }\searrow &&\swarrow {\scriptstyle \lambda }{\color {White}---}\\&f\otimes g\end{matrix}}}
0차 세포가 하나 밖에 없는 이차 범주의 개념은 모노이드 범주 의 개념과 일치한다.
이차 범주
C
{\displaystyle {\mathcal {C}}}
에서, 모든 범주
C
(
X
,
Y
)
{\displaystyle {\mathcal {C}}(X,Y)}
가 이산 범주(즉, 사상이 항등 사상 밖에 없는 범주)인 조건을 추가하면, 이는 범주 의 개념과 일치한다. 보다 일반적으로, 결합자와 항등자가 자명한 (항등 사상 으로 구성된) 이차 범주의 개념은 범주 의 모노이드 범주 위의 풍성한 범주 의 개념과 같다. (이러한 구조를 엄밀한 2-범주 (영어 : strict 2-category )라고 한다.)
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