圏論の問題

有限集合と写像のなす圏を $\mathbf{FinSet}$ とする。自然数全体 $\mathbb{N}=\{0,1,2,\dots \}$（$0$ を含む）は加法によりモノイドをなすので、これを対象がただ 1 つ $\ast$ で、射が $\mathbb{N}$ の元、合成が加法、恒等射が $0$ である圏 $B\mathbb{N}$ とみなす。

$X=\{0,1,2,\dots ,90\}$ とし、写像 $g:X\to X$ を、$g(x)$ は $x^3$ を $91$ で割った余りとして定める。関手 $F:B\mathbb{N}\to \mathbf{FinSet}$ を
$$F(\ast )=X,F(n)=g^n(n\in \mathbb{N},g^0={\mathrm{id}}_X)$$
で定める。$F$ の極限 $\lim F$ と余極限 $\mathrm{colim}F$ の要素の個数を、この順に組 $(|\lim F|,|\mathrm{colim}F|)$ で求めよ。

半順序集合 $(Q,\le )$ は、対象を $Q$ の元とし、$p\le q$ のときに限り $p$ から $q$ への射がちょうど $1$ つ存在する（それ以外のときは射が存在しない）圏とみなす。

3 つの元 $a,b,c$ からなる集合に、$a\le c$, $b\le c$ と反射律だけで定まる半順序を入れた半順序集合を $\mathcal{P}$ とする（$a$ と $b$ は比較できない）。また $[2]=\{0,1,2\}$ を通常の大小関係 $0<1<2$ による全順序集合とし、これらを上のように圏とみなす。

関手 $\mathcal{P}\to [2]$ を対象とし、それらのあいだの自然変換を射とする関手圏 $[\mathcal{P},[2]]$ を考える。この関手圏の射（自然変換）の総数を求めよ。ただし恒等自然変換も射として数える。

有限集合（空集合を含む）を対象とし、それらの間のすべての写像を射とする圏を $\mathbf{FinSet}$ とする。$1=\{\ast \}$ を 1 点集合とし、有限集合 $A$ の要素の個数を $|A|$ で表す。

関手 $F:\mathbf{FinSet}\to \mathbf{FinSet}$ が右随伴 $G:\mathbf{FinSet}\to \mathbf{FinSet}$ をもつ（$F⊣G$）とする。すなわち、すべての有限集合 $X,Y$ に対して、$X,Y$ について自然な全単射
$$\mathrm{Hom}(F(X),Y)\cong \mathrm{Hom}(X,G(Y))$$
が与えられているとする。

このとき、すべての有限集合 $X$ に対して
$$|F(X)|=|F(1)|\cdot |X|$$
が成り立つことを示せ。

$X=\{1,2,3\}$ とし、写像 $X\to X$ 全体のなす集合を $T_3$ とする。$T_3$ は写像の合成 $a\cdot b=a\circ b$ を積とし、恒等写像を単位元とするモノイドである（$|T_3|=27$）。

次のように圏 $\mathcal{K}$ を定める。
- 対象は、$T_3$ の冪等元、すなわち $e\circ e=e$ をみたす $e\in T_3$ である。
- 対象 $e$ から対象 $f$ への射は、$f\circ a\circ e=a$ をみたす $a\in T_3$ である（異なる対象の組に対する射は、同じ写像 $a$ であっても別の射として数える）。
- 射 $a:e\to f$ と $b:f\to g$ の合成は $b\circ a:e\to g$、対象 $e$ の恒等射は $e$ 自身である。

（これは $T_3$ の冪等元完備化（Karoubi 包絡）である。）圏 $\mathcal{K}$ の射の総数、すなわち
$$\sum _{e,f}|{\mathrm{Hom}}_{\mathcal{K}}(e,f)|$$
（和は $\mathcal{K}$ の対象の順序対 $(e,f)$ 全体にわたる）を求めよ。

$n\ge 0$ に対し $[n]=\{0,1,\dots ,n\}$ を通常の順序で全順序集合とみなし、対象を $[n](n\ge 0)$、射を広義単調増加な写像とする圏を $\Delta$ とする。単体的集合とは関手 $X:{\Delta }^{\mathrm{op}}\to \mathbf{Set}$ のことで、$X_m=X([m])$ の元を $m$ 単体とよぶ。$m$ 単体 $x\in X_m$ が、ある全射な射 $\sigma :[m]\to [k]$（$k<m$）と $y\in X_k$ によって $x=X(\sigma )(y)$ と書けるとき $x$ は退化しているといい、そう書けないとき非退化であるという。

表現可能関手 $\Delta [n]={\mathrm{Hom}}_{\Delta }(-,[n])$ を標準 $n$ 単体とし、単体的集合の積は各次元ごとの直積 $(X\times Y{)}_m=X_m\times Y_m$ で定める。

積 $\Delta [2]\times \Delta [3]$ の非退化単体の総数（すべての次元 $m\ge 0$ にわたる非退化 $m$ 単体の個数の和）を求めよ。