У Маклейна на стр. 108 есть следующая теорема:
Теорема 1. Пусть
- некоторое сопряжение. Тогда: 1) функтор
унивалентен, если и только если каждая компонента
коединицы
является эпиморфизмом; 2) функтор
полон, если и только если каждая компонента
является мономорфизмом и расщепляется. Как следствие,
полон и унивалентен, если и только если каждая компонента
является изоморфизмом
. У меня легко получилось доказать пункт 1.
На всякий случай напишу прозрачно: есть 2 функтора
![$F:X \to A, G:A \to X$ $F:X \to A, G:A \to X$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/4/b/94b9d29f3d3b74009b587bccd726574182.png)
,
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
- левый сопряженный к
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
,
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
в свою очередь - правый сопряженный к
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
. Биекцию сопряжения обозначим буквой
![$\varphi$ $\varphi$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/4/1/7/417a5301693b60807fa658e5ef9f953582.png)
.
Берем произвольный элемент
![$a' \in A$ $a' \in A$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/4/e/d/4edcfb72d2f769be46f7cf15a1b1181a82.png)
(я сразу же рисую симметричный ему элемент
![$Ga' \in X$ $Ga' \in X$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/0/d/6/0d659992488bfb46eda53d05f8513ef782.png)
). Берем 2 произвольные
различные стрелки
![$\delta, \gamma: a \to a'$ $\delta, \gamma: a \to a'$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/a/8/1/a81a5978e8f6f5647ec3defd4147f79082.png)
в категории
![$A$ $A$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/3/d/53d147e7f3fe6e47ee05b88b166bd3f682.png)
. Т.к.
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
унивалентен, значит
![$G \delta \ne G \gamma$ $G \delta \ne G \gamma$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/f/2/8/f28395f29976ee5f626b8999ab2a075082.png)
. Далее подключаем биекцию сопряжения:
![$$\varphi (\gamma \circ \varepsilon_a) = G \gamma \circ 1_{G_a} = G \gamma$$ $$\varphi (\gamma \circ \varepsilon_a) = G \gamma \circ 1_{G_a} = G \gamma$$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/a/3/ca3cadb4eae79b0bf64ef62b6945cf7b82.png)
Т.к. правые части разные (
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
ведь унивалентный), значит и
![$\delta \circ \varepsilon_a \ne \gamma \circ \varepsilon_a$ $\delta \circ \varepsilon_a \ne \gamma \circ \varepsilon_a$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/8/7/b/87b1f2b3e4d6d9119af70da65359d99782.png)
, что и доказывает эпиморфность
![$\varepsilon_a$ $\varepsilon_a$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/f/a/1fa30f44b7ddfc04ec74865e4ed3da4d82.png)
.
Примерно так же легко доказывается обратный факт, что из эпиморфности каждой компоненты коединицы следует унивалентность функтора
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
.
Далее я решил доказать пункт 2. Я был уверен, что все получится так же легко (т.к. доказывается если не двойственное, то по крайней мере на первый взгляд крайне подобное утверждение). Но не получается.
Как обычно, рисую 2 категории и сопряжение между ними. В категории
![$A$ $A$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/3/d/53d147e7f3fe6e47ee05b88b166bd3f682.png)
нарисована произвольная коединица
![$\varepsilon_a: FGa \to a$ $\varepsilon_a: FGa \to a$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/4/a/e/4aea9a93f2762259059cff55a754774382.png)
. Раз речь идет о мономорфности
![$\varepsilon_a$ $\varepsilon_a$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/f/a/1fa30f44b7ddfc04ec74865e4ed3da4d82.png)
, значит надо выбрать произвольную пару различный стрелок
![$\delta, \gamma: a' \to FGa$ $\delta, \gamma: a' \to FGa$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/a/9/1a9d36ee19024a57b6fbef11274fcd8682.png)
. На этом моменте возникает первая проблема: а вдруг образ функтора
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
не совпадает с категорией
![$A$ $A$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/3/d/53d147e7f3fe6e47ee05b88b166bd3f682.png)
. Это значит, что эти 2 стрелки теоретически могут вообще не участвовать в сопряжении и я не представляю, как вообще можно тогда доказать что-либо с их участием. Ну ладно, пусть даже мы возьмем не какой-то
![$a' \in A$ $a' \in A$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/4/e/d/4edcfb72d2f769be46f7cf15a1b1181a82.png)
, а прямо элемент
![$Fx \in A$ $Fx \in A$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/2/c/a/2caf0cc117309df98a50c77e0511618482.png)
, являющийся образом некоторого элемента
![$x \in X$ $x \in X$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/e/f/2/ef2a9dc0d2e528efe607b65aaed5584582.png)
(и тогда стрелки примут вид
![$\delta, \gamma: Fx \to FGa$ $\delta, \gamma: Fx \to FGa$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/2/6/326cc0621493c46b05c2ff1107e0bc3a82.png)
). Далее я на автомате подумал, что
раз функтор
полон, значит стрелки
![$\delta$ $\delta$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/8/f/38f1e2a089e53d5c990a82f28494895382.png)
и
![$\gamma$ $\gamma$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/1/c/11c596de17c342edeed29f489aa4b27482.png)
являются образами некоторых стрелок из категории
![$X$ $X$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/b/f/cbfb1b2a33b28eab8a3e59464768e81082.png)
. Я сразу переименовал
![$\delta$ $\delta$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/8/f/38f1e2a089e53d5c990a82f28494895382.png)
и
![$\gamma$ $\gamma$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/1/c/11c596de17c342edeed29f489aa4b27482.png)
на
![$F \delta$ $F \delta$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/5/d/55db7b5198d884cd66b50f196173f06082.png)
и
![$F \gamma$ $F \gamma$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/6/d/b/6db88c591dc06934498f28319c166d8282.png)
(а
![$\delta$ $\delta$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/8/f/38f1e2a089e53d5c990a82f28494895382.png)
и
![$\gamma$ $\gamma$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/1/c/11c596de17c342edeed29f489aa4b27482.png)
тогда - это теперь стрелки
![$\delta, \gamma: x \to Ga$ $\delta, \gamma: x \to Ga$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/6/f/c6fd868f50f7e2c7e6483c3b907a8f2d82.png)
из
![$X$ $X$](https://dxdy-01.korotkov.co.uk/f/c/b/f/cbfb1b2a33b28eab8a3e59464768e81082.png)
. Разумеется,
![$\delta \ne \gamma$ $\delta \ne \gamma$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/3/c/3/3c3463e0d77d98fb08225f130ff947e782.png)
. И теперь опять подключаем биекцию сопряжения:
![$$\varphi (\varepsilon_a \circ F \gamma) = 1_{G_a} \circ \gamma = \gamma$$ $$\varphi (\varepsilon_a \circ F \gamma) = 1_{G_a} \circ \gamma = \gamma$$](https://dxdy-03.korotkov.co.uk/f/a/2/4/a2440098bb454d62618caa797395cc4d82.png)
Опять правые части различны, следовательно
![$\varepsilon_a \circ F \delta \ne \varepsilon_a \circ F \gamma$ $\varepsilon_a \circ F \delta \ne \varepsilon_a \circ F \gamma$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/9/b/0/9b07104e59a5789a2c1ad9e8761f426082.png)
что и доказывает теперь уже мономорфность
![$\varepsilon_a$ $\varepsilon_a$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/1/f/a/1fa30f44b7ddfc04ec74865e4ed3da4d82.png)
.
Но есть один нюанс. Я на автомате использовал полноту функтора
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
, а дана полнота функтора
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
! Про
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
вообще ничего не сказано, а значит это легкое и самое главное подобное первому пункту доказательство идет коту под хвост.
Таким образом, ситуация крайне странная. Сначала я подумал, что может быть есть опечатка и перепутаны либо единица с коединицей, либо функтор
![$G$ $G$](https://dxdy-02.korotkov.co.uk/f/5/2/0/5201385589993766eea584cd3aa6fa1382.png)
с функтором
![$F$ $F$](https://dxdy-04.korotkov.co.uk/f/b/8/b/b8bc815b5e9d5177af01fd4d3d3c2f1082.png)
или что-то в таком роде. Но там дальше Маклейн уверенно использует эту формулировку, да и последнее предложение в самом фрагменте показывает, что опечатки нету.
Подскажите, где косяк. Точно ли формулировка корректная? И если корректная, как подступиться к доказательству (пока хочу доказать вслепую; в учебник смотрел, но там фигня какая-то непонятная, а я хочу свой способ довести до конца)