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第九章 决定定理

SDE数学解构导论 · 约 1,206 汉字

一、三个对象的形式定义

定义 9.1(纠缠系统 E) 一个结构:载体集连同其上的运算、关系、拓扑或

赋值;或范畴化地,一个范畴 𝓔 连同其全部态射。E 须满足条款 ⓑ。

定义 9.2(差异路径 D) 一个生成律。形式上:一个小范畴 J 与一个图式

D: J → 𝓔。解析形式上:一个差分算子或微分算子,配一个种子。D 须满足条

款 ⓐ。

定义 9.3(显露态 S) D 在 E 中的解:极限、余极限、初代数或表示对象,

视 D 的形态而定。

三条定义有一个共同特点:它们都不预设 S 已经存在。E 是先在的土壤,D 是可写下的推进律,S 是二者相遇后发生出来的那个东西。这正是"在 E 中,经 D,成 S"这一句在数学里的准确落法。

二、决定定理

定理 9.4(决定定理) 设 D: J → 𝓔 为图式。若 D 在 𝓔 中的极限存在,则它

在唯一同构下唯一。因此

F : (D, E) ⟼ [S]

是一个单值偏函数。

证明 设 L 与 L′ 皆为 D 的极限,分别配以锥 (λ_j)_(j∈J) 与 (λ′_j)_(j∈J)。

由 L′ 的泛性质,存在唯一态射 u : L → L′ 使得对一切 j 有 λ′_j ∘ u = λ_j。 由 L 的泛性质,存在唯一态射 v : L′ → L 使得对一切 j 有 λ_j ∘ v = λ′_j。

考察 v ∘ u : L → L。对一切 j, λ_j ∘ (v ∘ u) = (λ_j ∘ v) ∘ u = λ′_j ∘ u = λ_j。 而恒等态射 id_L 同样满足 λ_j ∘ id_L = λ_j。由 L 的泛性质中中介态射的唯一性,得 v ∘ u =id_L。

对称地,u ∘ v = id_(L′)。故 L ≅ L′,且该同构由泛性质唯一确定。∎

余极限的情形把全部箭头反向,证明逐字对偶。

推论 9.5 对任何同构不变的性质 P,恒有

P(S) = P ∘ F(D, E)。

即:S 的每一条特征都是 (D, E) 的函数。

证明 由定理 9.4,F 是单值的,即 (D, E) 唯一确定同构类 [S]。P 在同构类上良定,故P ∘ F 是 (D, E) 上的良定函数,且其值等于 P(S)。∎

推论 9.5 是本编的主命题。它的证明只有一行,因为全部工作已经在定理 9.4 里做完了——单值性一旦成立,"每条特征都是二者的函数"就是它的直接读法。

三、解析版:Picard–Lindelöf

范畴论的写法覆盖面广,但离具体对象远。同一件事在分析里有一个人人熟悉的面孔。

定理 9.6(解析版) 设 E = (X, ||·||) 为 Banach 空间,配以实区间 I 上的完

备度量结构。设 D = (f, x₀),其中 f : I·X → X 连续且关于第二变元一致

Lipschitz,x₀ ∈ X 为种子。则初值问题

x′(t) = f(t, x(t)),x(t₀) = x₀

有唯一的极大解。

这就是 Picard–Lindelöf 定理。它的标准证明是把初值问题转写为积分方程,再对压缩映射用 Banach 不动点定理。在本编的语言里:E 提供完备性(不动点定理的前提),D 提供压缩(Lipschitz 条件与推进律),S 是那个不动点。 三者的分工在证明中一目了然,缺任何一个,不动点都不存在或不唯一。

值得注意的是失败的方式也各归其位:Lipschitz 条件坏掉(D 的问题)会导致解不唯一,例如 x′ = 2√|x|、x(0) = 0 有无穷多解;完备性坏掉(E 的问题)会导致解不存在。这一对失败例正是第十二章"两个变量都不可省"的分析版预演。

四、E 一侧的独立佐证:米田引理

第三个角度来自范畴论最基本的一条定理。

定理 9.7(米田引理的推论) 米田嵌入 y : 𝓔 → [𝓔^op, Set],X ↦ Hom(−,

X),是全忠实的。因此

X ≅ Y 当且仅当 Hom(−, X) ≅ Hom(−, Y)(作为函子自然同构)。

这句话的读法是:一个对象在同构意义下被它与全体对象的关系穷尽。 换言之,"S 由纠缠决定"在范畴论里不是隐喻,是一条一百年来天天在用的定理。

而 D 在这里出现于另一个位置:关系模式不是凭空给出的,它由某个图式生成,而图式的形状——哪些箭头、按什么次序、如何复合——正是差异路径。定理 9.4 说的是"给定图式,极限唯一";定理 9.7 说的是"给定关系全貌,对象唯一"。两条从不同侧面夹住同一件事。

五、一句要紧的话

必须把下面这句写在本章末尾,否则本编会被高估:

形式化之后,定理 9.4 近乎自明。

它是泛性质唯一性引理,任何一本范畴论教材的第一章都有。本编把它请到这里,不是因为它难,而是因为它把一句哲学宣告钉成了一条有前提、有证明、有边界的数学命题——而在此之前,那句宣告既不能被证明也不能被推翻。

因此本编真正承重的部分不在第九章,在第十一章:归属。定理只说"S 的特征是 (D, E) 的函数",它不说是哪一个函数,更不说某条具体特征的成因该记在 D 名下还是 E名下。后者才是可错的、可检验的、能预言换掉 E 之后哪条会翻面的部分。全编的力气从下一章起全部用在那里。

德麦国际专著第 70 号 · 王德生《SDE数学解构导论》