C AHIERS DE
TOPOLOGIE ET GÉOMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE CATÉGORIQUES
E. B URRONI
A. B URRONI
Structures algébriques : thème et variations
Cahiers de topologie et géométrie différentielle catégoriques, tome 33, no3 (1992), p. 207-216
<http://www.numdam.org/item?id=CTGDC_1992__33_3_207_0>
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Structures Algébriques :
Thème et Variations
E. Burroni
etA. Burroni1
CAHIERS DE T OP OL O GIE ET GEOMETRIE DIFFERENTIELLE
CATEGORIQUES
VOLUME XXXIII
3ème
trimestre 1992ABSTRACT : This paper is a survey of the main
categorical
varia-tions on the thema of
algebraic
structures.Les structur es
mathématiques qui peuvent
se décr ire en se limitant à desopérations,
et dont les axiomespeuvent
se réduire à deséquations (i.e.
égalités
determes),
onttoujours
séduit par leursimplicité conceptuelle.
G. Gràtzer
r appelle
dans lapr éface
de son livre[17]
quel’or igine
du con-cept d’Algèbre
Universelle remonte à la fin dulgème
siècle. Cette notiona été illustrée par des 11o111S comme ceux de A.N.
Whitehead, G.Birkhoff,
A.Tarski. Elle a été entièr ement reformulée et
pr écisée,
en ter mefonctoriel,
par W. Lawvere dans sa thèse en 1963
[24].
Nousvoudr ions,
dans cetexposé, indiquer
de manièreabrégé
comment la théor ie descatégories
adéveloppé,
autour de ce thème
simple,
une sér ie de var iations. Chacune des variations que nous allons br ièvementpr ésenter
dans ce texte, choisiespar mi
lesplus significatives,
est une extension naturelle donnantplus
deportée
à ce con-cept,
aupoint qu’il
estpossible, aujourd’hui,
desuggérer -
sinon d’affirmer -qu’il
constitue une des clefs essentielles pour une classificationgénér ale
desstr uctures
mathématiques.
Pr écisons que ce texte est ledéveloppement
del’introduction de
l’exposé
oral fait aucongrès
de Tours de 1991 : les illus- trationsmathématiques qui
faisaient suite dans le ditexposé
or alparaîtront
ailleurs.
La théor ie des
catégor ies envisage
ladescr iption
des structures mathé-matiques
engénéral
ainsi : une striccture est d’abord la donnée d’un foncteur1 Université de Paris 7
inter prété
comnle réalisation( modèle)
d’une théorie ?r dans un univers E.Ces
catégories
T et E sontgénéralement
111Llllles de donnéessupplémentaires,
par
exemple
des limitesprojectives
et inductives comme dans le cas des es-quisses
mixtes d’Ehres111ann[15],
ou de donnéesplus
directementinspirées
de la Théorie des modèles et cor r ectement fonctorialisées comme dans le cas
des
topos
deLawvere,
et aveclesquelles
le foncteur AI doit commuter. Ces donnéesdoivent,
d’unepart,
refléter la nature et lacomplexité
de la struc-ture étudiée et, d’autre
part,
celle de lalogique
utilisée dans ledéveloppement
de cette structure
(équationnelle, classique, intuitionniste, etc... ) .
Toutefoisce
point
de vue n’est souventqu’une
idéalisation de la situation r éelle : les théoriesn’apparaissant -
et pour cause! -qu’à
travers leurprésentation,
c’est-à-dire des
systèmes formels
modulo uneéquivalence
souvent encor eempr einte
d’un certainempirisme (on
peut comparer cela au début de la théorie des groupes où ceux-cin’apparaissaient généralement qu’à
traversune
présentation
et seulement comme groupes detransformations).
Thème : On
appelle
théorie de Lawvere unecatégol-ie
cartésienne T(i.e.
unecatégorie
admettant desproduits
cartésiensfinis,
ycompris l’objet final)
danslaquelle
on adistingué
unobjet
s, tel que toutobjet
de T soitde la forme sn = s x ... x s
(ii fois)
pour un 11 e N(en particulier so
= 1est
l’objet
final etsi
=s)
et où on adistingué
pour touti,
1 1 n, desprojections canoniques
rrn,i : sn -> s caractérisant Sn commeproduit
cartésien de n
copies
de s. La définition de W.Lawvere estplus élégante :
une théorie en son sens, est définie par un
foncteur iT :
Fop ->T, bijectif
sur les
objets, qui
commute auxproduits cartésiens,
et où f1°" est la duale de lasous-catégorie pleine
F de lacatégorie
des ensembles Ensqui
a pourobjets
les entiers(chaque
entier 11 e N étant identifié à l’ensemble de sesprédécesseurs 11 = {0,1,
..., n -1}).
Lesobjets
de Ts’appellent
destYZJes
etl’objet
s =iT(1) s’appelle
letype
de base ou la sorte.Une
présentation
d’une théorie de Lawvere est la donnée d’unsystème d’opérations
etd’équations (Q, E) jouant
le rôle d’unsystème
degénérateurs
et relations de la théorie. Les éléments de D sont des
symboles d’opér ations
a : sn -> s et ceux de E sont des
couples
de termes k : sP -> s,k’ : sp -> s de même
arité p E N,
dérivés des éléments deQ,
cescouples
étant notés A = k’. Les
exemples
de théories de Lawvere et de leurs modèles sont constitués par les structuresalgébriques
traditionnelles : groupes, an- neaux, anneauxcommutatifs, algèbres
deBoole,...
etégalement
par desexemples plus
étonnants comme, parexemple,
lesC°°-algèbr es (dont
ladéfinition est
également
due àW.Lawvere)
et dont les modèles sont les variétés différ entielles Coo ... etégalement
desobjets
Cooplus généraux qui
sont
l’analogue
des "schémas" de lagéométrie algébrique [27].
Variation 1. Elle est due à J. Bénabou
[3]
et consiste à passer du caspr écédent à
une sorte s au cas àplusieurs
sortes. Pr écisément T est encore unecatégorie cartésienne,
mais au lieu d’unsingleton {s},
on a un ensembleS
d’objets
de T tel que toutobjet
de Ts’écrive,
defaçon unique,
sous laforme Si1 x ... x si. où Tl, E N et Sil Si2’ ..., Sin E S. La notion de
présentation
associée
comporte
alors un ter me deplus (S, Q, E).
L’exemple classique
à deux sortes est celui des modules sur un anneau(non fixé) :
les vecteurs et les scalaires.Variation 2 . Cette nouvelle
généralisation
consiste à admettr e des aritésinfinies ;
uneopération (à
une sorte parexemple) prend
la for me suivantea :
si
-> s où I est un ensemblequelconque appelé
encore arité de a.Par
ailleurs,
cettegénéralisation
a donné l’occasion de r efor muler toute laquestion
en termes de"tr iple"
sur les ensembles. Untriple
T sur unecatégorie
e est donné par un
triplet (T, n, p)
où T : E -> e est un foncteur et oùq :
ide
->T, J1 : T2
- T sont deux tr ansformations naturelles satisfaisantles relations :
Une
T-algèbre
est la donnée d’uncouple (A, b)
formé d’unobjet
A et d’unmorphisme
de e de la for me b : TA - A vérifiant les relationsPour
plus
de détails voir[16], [25]
et[26].
Ainsi àchaque
théorie T au sens deLawvere est associé un
triple
T sure - Ens et on montre que lacatégorie
des7--modèles est
isomorphe
à celle desT-algèbres : Mod(T, Ens) = Alg(T), [25].
Mais il existe d’autr estriples
que ceux obtenus de cette manièr e : ilscorrespondent
à des arités infinies(sans
limite de taille autre que celle d’être des éléments deEns).
Ainsi les espacescompacts
sont, en ce sens, lesu-algèbres
d’untriple IÀ où,
pour tout ensembleA,
UA est l’ensemble des ultrafiltres sur A. Autreexemple :
les C*-algèbres
commutatives.Variation 3. Les structures
algébriques considér ées j usqu’ici
sont réali-sées dans l’univers e = Ens. On
peut
évidement utiliser commeunivers,
àla
place
deEns,
toutecatégorie
cartésienne E pour réaliser une théorie de Lawvere et obtenir descatégories
de modèlesMod(T, e).
Parexemple,
si Test la théorie des groupes et e =
Esp
lacatégorie
des espacestopologiques, Mod(T, Esp)
est lacatégor ie
des gr oupestopologiques.
Dupoint
de vue destriples :
autriple
T =Tgrpe
surEns,
dont lesT-algèbres
s’identifient à des groupes,correspond
une extension T =T grpe
surEsp
et dont lesT-algèbres
s’identifient à des groupes
topologiques.
Variation 4.
Ici,
on a une nouvellegénéralisation
d’ arité : elles ne sontplus
nécessairement réduites à des ensembles. Ces cas sont encore couverts par la notion detriple,
mais ces derniers ne sontplus nécessair ement,
commedans les cas
précédents,
définis sur unecatégorie
de la formeEnss
où S était l’ensemble des sortes(ou
lmêlme encore, comme dans la variation3,
destriples qui
sont desimples
extensions à unecatégorie E
detriples
surEns).
Notamment,
pour fixer lesidées,
cet ensemble Speut
êtregénéralisé
par ungraphe Z,
et onpeut
considérer untriple
T sur lacatégorie EnsZ,
dont lesobjets
sont lesdiagrammes
detype
dans Ens. Considérons un seul ex-emple remar quable,
celui où E =(.=>.) :
alorsGrph
=Ens(.=>.)
est lacatégorie
desgraphes,
i.e. desdiagrammes
dans Ens de la forme(X ===4 Y).
Ce
qui
fait l’intérêt de ce cas vient enpartie
de la preuve faite dans[8],
que la
quasi-totalité
des structures étudiées par lescatégoriciens
- notam-ment celle des
topos
élémentair es de Lawvere sont desT-algèbres
où Test donc un
triple
surGrph.
Nous avonsappelé "algèbres graphiques"
detelles structures, la donnée de base n’étant
plus
un ensemble ou une familled’enselnbles mais un
graphe.
Aceci, cor respond
une notion de théorie ana-logue
à celle de théorie de Lawvere ou de Bénabou etqu’on peut appeler
"théor ie
algébro-graphique",
etoù,
cettefois,
lestypes
ne sontplus
seule-ment donnés par des
produits cartésiens,
maiségalement
par desproduits
fibrés
(ou
desnoyaux),
l’essentiel des cas intéressants étant d’arités finies.Dans
[19],
R.Guitarttraite,
sous le nom d’"algèbres figuratives" ,
du cas oùE est une
petite catégorie quelconque,
cequi
luiper met
dedonner,
via lesesquisses,
un sens"équationnel"
à toute théorie(voir
variation11).
Variation 5. Une des
propriétés
lesplus
fondamentales deEns, qui
en fait est un
univers,
est d’être unecatégorie
cartésienne fermée.Donc,
une
partie
du rôlejoué
par Ens dans la théorie descatégories peut
êtrejouée
par une structure decatégorie
monoïdale(en par ticulier cartésienne)
fermée
quelconque
V. On définit ainsi descatégories
enrichiespar V
ou V-catégories (cela
veut dire en gros que pour toutepaire X ,
Yd70bjets
de laV-catégorie C,
l’ensembleHomc (X , Y )
se trouve "enr ichi" par la donnée d’unobjet HomC ( X , Y )
deV) .
On définitégalement
desV-foncteur s,
V-transformations
natur elles, V-tr iples,
etc ... ainsi que desV-catégor ies
deT-algèbres Alg(T)
pour unv-triple
T. Cepoint
de vue a étédéveloppé
par
exemple
par A.Kock[22]
etM.Bunge [11].
Citons deux casparticuliers importants : 1)
celui où V = Ab lacatégor ie
des groupes abéliens(le pr oduit
monoïdal @ étant le
produit
tensorielusuel).
Parexemple
lescatégories
demodules sur un anneau sont des
V-catégor ies d’algèbr es,
l’anneau de base étant uneV-catégorie ( engendr ant
une V-théoriealgébrique ) ; 2)
celui des2-catégories, 2-foncteurs,
... où lepréfixe
"2"signifie
enrichi par Cat munie de sonproduit
cartésien. Les2-catégories d’algèl)res
sur un2-triple
ainsiobtenues seront
généralisées plus
loin(variation 9)
par des2-catégories
de"lax-algèbr es" .
Variation 6. On doit à M.Barr l’idée de
généraliser
la notion de T-algèbre,
où T est untriple
surEns,
par celle deT- algèbre relationnelle,
c’est-à-dire par la donnée d’un
couple (A, R)
où A est un ensemble et R : TA -> Aune relation
(i.e.
R Ç TA xA)
vérifiant - au lieu deségalités
d’une T-algèbre
- les relations d’inclusion :Les
T-algèbres
relationnelles ct leur notiond’homomorphisme
forment unecatégorie Ord(T)
contenantAlg(T)
commesous-catégorie (voir
détails et lajustification
des notations dans[1]). L’exemple
fondamental donné par Barr est celui des espacestopologiques Esp - Ord(U),
où U est letriple
desultrafiltres
déja évoqué
pour la relationComp = Alg(U) (une
idéeSil11ilaire,
mais avec le
triple
des filtresF,
avait étédéveloppée indépendamment
dans[4]).
Variation 7. L’idée de
généraliser
la relationprécédente
R : T A -> A par un"spall"
conduit à une nouvelleextension,
celle des"T-catégor ies"
formant les
objets
d’une nouvellecatégorie Cat(T)
contenantOrd(T)
commesous-catégorie pleine.
Nous nous contenterons d’indications très succintes : le lecteur intéressé par ces notionspeut
sereporter
à[5].
Un span S : X -> Y entre deux ensembles X et Y est défini par uncouple d’applications
de mêmedomaine et de la for me a,s : S ->
X, bs
S -> Y ou, cequi
revient aumême,
uneapplication
de la forlne[as, bs]
S -> X x Y(le
span,qu’on
110tera
simplement S,
se réduit à une relationlorsque
cemorphisme
est uneinclusion R Ç X x
Y) .
Si,S’,
,S’’ : X => Y sont deux spans de même domaineet
codomailie,
on définit la notion demor phisme
m : S ) S’ entre spans parune
application (encore
notéem)
telle que as,o 111 = as,bs,o 111 = bs (dans
lecas de
relations,
un telmorphisme
se réduit à la donnée d’une inclusion RC
R’) .
Lesensembles,
les spans et leursmorphismes
formentrespectivement
les0,
1 et 2-cellules d’une2-catégorie Span (plus pr écisément
une"Oicatégorie"
au sens de Bénabou
[2]).
UneT-catégorie
sur A est alors définie par un span ,S’ : TA - A et deuxmorphismes
ces données
(qui
se réduisaient à despropriétés
dans les casprécédents)
sontsoumises à des axiomes faisant intervenir le niveau
T3A
dutriple.
Diversexemples
sontproposés
dans[5] ;
limitons-nous au cas leplus
élémentaireet
qui explique
laterminologie :
lesi dEns-catégories
ne sont autres que descatégor ies : Cat (idEns) =
Cat oùidEns
est letriple
trivial défini sur Ens(l’endomorphisme
est le foncteur identité et ’17, 03BC sont desidentités).
Variation 8. La notion de "loi distributive" D entre deux
tr iples T, T’
définis sur une même
catégorie E
a été introduite par .l.Bech. Elle conduit à la notion deD-algèlme
donnée par unmorphisme
de la for me b : T A - T’A et celleanalogue
deD-catégorie, qui
redonnent lesT-algèbres
et lesT-catégories lorsque
T’ =idE .
Enparticulier
pour T’ = P letriple
desparties
surEns, (et
où
qA :
A -> P A etpA : p2 A
-> P A sontrespectivement
lesapplications
"singleton"
et"r éullioll" )
on obtient une nouvelle notion d’"algèbre partielle"
qui,
parexemple
avec T =(triple
des actions d’un monoïdeslibre),
donne pourune loi distr ibutive D entre T et P les "automates non déter ministes" . Ces notions
qui
ont étéparfois
utilisées eninformatique théorique
ont été étudiées dans[10],
et ultér ieur ement dans[18].
Variation 9. Un théorème de
[5] p.260
lnontrequ’un
autreprolongement
naturel de l’étude des
T-catégories
est celle d’une extension "2-dimension- nelle" des structuresalgébriques,
à savoir les"lax-algebras".
Essentiellementce sont des structures
qui
sont définies sur descatégories
et nonplus
surdes
enselnbles,
et dont lesopérations
sont des foncteurs. Leséquations
peu- vent alors être"laxifiées", c’est-à-dire, r emplacées
par des tr ansfor mations naturelles et ce n’estqu’à
la dimensionsupérieure
enT3 qu’on
retrouve deséquations (axiomes
decohérences).
La définitionoriginelle
des"lax-algebras"
se trouve dans
[5] (p.260) puis
pour une étudeplus développée
dans[7] (mais
la
terminologie
de"pseudo-algèbre" qui
avait été choisie dans ces articles n’était pasheureuse,
de mêlme que celle de"2-algèbre"
donnée dans[6].
Ondoit à
M.Bunge [12] l’usage
dans ce domaine dupréfixe
"lax" . Mêmes re-marques pour les notions de
"lax-catégories"
et les"lax-triples"
introduites dans[5]).
Précisons un peu
plus :
soit T un2-triple
sur une2-catégorie e ( i.e.
"2" au sens de "enrichi surCat" ),
uneT-lax-algèbre
est la donnée d’unquadruplet (A, b, t, K)
où b : T A -> A est unmorphisme
deE,
t, r, des 2-cellules de la formesatisfaisant des "axiomes de cohérences" pour
lesquels
on se contentera de renvoyer, parexemple,
à[7], p.365
ou même[5], p.260.
Indiquons
pour terminer un seulexemple qui,
bienqu’élémentaire,
estreprésentatif
de cette notion et donne une idée de son étendue : siicl,Cat
estle
tr iple
trivial surCat,
uneidCat- algèbre
n’est autrequ’un tr iple (b, L, K)
sur une
(petite) catégorie A,
i.e. b : A -> A est l’endofoncteur dutriple
ett, K
correspondent
à cequi
a été notéplus
haut n, ji.Variation 10. Avec la notion de
"T-multialgèbre"
de Y.Diers(voir
notamment
[13] ,[14]),
onquitte
les variationsplus
ou moinsexotiques
pour revenir à uneligne plus classique qui -
on le verra bientôt - conduit tout droit à une véritable "théorie des modèles" au sens leplus large.
Les
"multialgèbres" (le préfixe
"multi" ne reflètequ’imparfaitement
lanotion)
sontdéveloppées
selon un même schémagénéral
que les"algèbr es" ,
mais cette fois avec une "théorie
multialgébr ique" .
La notion de base est cellede
"multipr oduit
cartésien"qui généralise
la notion deproduit
cartésien. Parexemple,
unmultiobjet final
dans unecatégor ie
C est constitué par la donnée d’unobjet final,
et unseul,
parcomposante
connexe de C. Unmultipro-
duit
plus général
se r amène au casprécédent
sur unecatégorie adéquate (catégorie
desobjets
au-dessus de la famille dont on cherche lemultipro- duit).
Une Théoriemultialgébrique
T[14]
est alorsl’analogue
d’une théorie de Lawvere mais où desmultiproduits remplacent
lesproduits simples.
Unmodèle de ?- dans un
univers,
parexemple
dans lacatégorie Ens,
est unfoncteur M : T - Ens tel que si
(Qj) j E j
est lelllultiproduit
de(Xi)iEI,
ona
lIjEJ M(Yj) = IIiEI M(Xi) ( I
et Jfinis), généralisant
le casclassique qui
correspond
à J = 1. Des structures aussi variées que les corps, les anneauxintègres,
les espacespr éhilber tiens,
les ensembles totalementordonnés,
etc...sont des
multialgèbres
etforment,
avec leurshomolnorphismes naturels,
descatégories Mod(T)
de "multimodèles" . Ces structurespeuvent également
être données par des
T-algèbres
où T est un"multitriple" .
Voir[13].
Variation 11. L’idée de
généraliser
lesmultipr oduits
par des "mul- tilimitesprojectives",
définies de manièr eanalogue, peut
êtrepris
commepoint
dedépart
des travaux de R.Guitart et C.Lair[20], [21] qui,
d’unepart,
parachèvent
defaçon
naturelle ceux de Y.Diers et, d’autrepart,
révèlent des lienspuissants
et inattendus avec la théorie desesquisses
mixtes d’Ehresmanndéja
cité[15].
Cette nouvelle extension devient alors considérablepuisque,
par
exemple,
toutes les structures du "1e1’ ordre" entrent dans ce nouveaucadre. Ainsi le dolnaine couvert par cette extension est celui des
"esquisses
mixtes" d’Ehresmann définies dans les années 60.
Enfin,
dans[23],
Lairpropose des éléments d’une version
"triple"
de cette nouvelle extension.Variation 12. On sait
depuis longtemps
que certaines "structures" sont données par dessystèmes
d’"opér ations-équations"
en un sensplus général
que celui donné par les
algébr istes;
la notion de "Illollade" de Bénabou[2] :
qui
est définie dans unecatégorie
monoïdale(E, 1, 0), généralise
la notion de monoïde :définie dans une
catégorie
cartésienne(E, 1, x).
Stimulés par desapplications
à la
mécanique quantique,
et la découverte récente de nouveauxpolynômes
invariants associés aux
noeuds,
la notion de"groupe quantique" ,
c’est-à-dire"algèbres
deHopf"
non nécessairement commutatives ou cocommutatives(qui
sont des structuresalgébriques
dans ce sensplus général),
une foule deconcepts
reliant "calculsalgébriques"
etphysique
ont fait récemment leurapparition.
Pour unaspect spécifique
de cettegénéralisation
dupoint
devue considéré
ici,
voir[9].
Cette dernière variationindique
assez bien quele thème de
l’équationnalité
est loin d’avoirépuisé
toutes sespotentialités.
(Ainsi, quel
seraitl’analogue
monoïdal destypes
de limites autres que lesproduits
cartésiensbinaires ’? ) .
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Université de Paris 7
Département
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