將兩范疇之間的函子視為對(duì)象,函子間的自然變換視為箭頭就可以構(gòu)成函子范疇,這樣的范疇是范疇上的范疇,往往稱為純粹的范疇論,高度抽象,難以理解。
不過(guò),借助于指數(shù)結(jié)構(gòu),函子范疇的構(gòu)造就很自然了。指數(shù)的來(lái)源是函數(shù)空間,比如兩集合的指數(shù)集合,就是兩集合間的所有函數(shù)的集合,在集合論中,往往記為B^A,其實(shí)也就是箭頭集Hom(A,B),那么假如將集合換為范疇呢?
這就需要引入一個(gè)重要的范疇,包括所有小范疇的范疇Cat,也可以稱為小范疇范疇,名字有點(diǎn)拗口。在Cat中,對(duì)象是所有的小范疇,這里的小在這個(gè)系列最開始的時(shí)候解釋過(guò)了,指的是范疇的對(duì)象和箭頭都是集合,不會(huì)出現(xiàn)類的情形。Cat中的箭頭是范疇間的函子,由于小范疇間的所有函子總能構(gòu)成一個(gè)集合,所以Cat是局部小范疇,也就是指對(duì)象可以不構(gòu)成集合,但是任意兩對(duì)象間的箭頭構(gòu)成集合。
于是當(dāng)Hom(A,B)中的集合換為小范疇時(shí),其實(shí)就是Cat中的箭頭集,所以,在B^A的基礎(chǔ)上構(gòu)建的指數(shù)范疇其實(shí)就是函子范疇Fun(A,B),也就是范疇A,B間函子的范疇。
這個(gè)結(jié)論其實(shí)是和命題Cat是笛卡爾閉范疇CCC相關(guān)聯(lián),因?yàn)镃CC要求范疇有有限積和指數(shù),有限積就是指具有源對(duì)象0和二元積A×B,0就是零范疇,二元積就是兩范疇的積,指數(shù)B^A就是上面的函子范疇構(gòu)造。
所以,在Cat下,函子范疇就是指數(shù)范疇。

上面是正式定義,函子范疇自然也滿足范疇公理,包括存在恒等箭頭,滿足箭頭的結(jié)合律。

姑且試著解釋一個(gè)例子,圖范疇和函子范疇。首先,圖或者說(shuō)有向圖,可以分解為節(jié)點(diǎn)和箭頭,或者稱為頂點(diǎn)和邊,頂點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)集合,邊也構(gòu)成一個(gè)集合,同時(shí)還有邊集到頂點(diǎn)集的兩個(gè)函數(shù),取起點(diǎn)和取終點(diǎn)函數(shù),所以圖范疇的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)集合以及兩個(gè)情形箭頭,如上圖所示。G1是邊集,G0是頂點(diǎn)集,t為target,取終點(diǎn)函數(shù),s為source,取起點(diǎn)函數(shù)。
這些要素去除內(nèi)容,就是一個(gè)特殊的范疇,兩對(duì)象平行雙箭頭范疇,記為Γ。

那么,我們就可以據(jù)此將一個(gè)圖視為一個(gè)函子,也就是G:Γ→Sets,因?yàn)槿我饨o定一個(gè)這樣的函子就能得到一個(gè)相應(yīng)的圖,這個(gè)可以自己試一下,隨便寫出兩個(gè)集合,一個(gè)用大寫字母表示頂點(diǎn)集,一個(gè)用小寫字母表示邊集,然后任意指定兩集合間的兩個(gè)函數(shù),最后就能對(duì)照著函數(shù)關(guān)系連接邊,從而畫出圖。圖到函子的對(duì)應(yīng)則是顯然的,圖中頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)到頂點(diǎn)集,邊對(duì)應(yīng)到邊集,函數(shù)對(duì)應(yīng)到函數(shù)。
所以圖就對(duì)應(yīng)著這樣的函子,圖同態(tài)對(duì)應(yīng)著函子間的自然映射,圖范疇就對(duì)應(yīng)著函子范疇。
Cat,在不同的書中定義也不太一樣,這里專指小范疇范疇,有的地方指所有范疇的范疇,這點(diǎn)要區(qū)分注意。這種名詞上的區(qū)別也是很重要的,尤其是對(duì)于發(fā)展中還沒(méi)有通用標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域。