Cartesian differential categories come equipped with a differential combinator that formalizes the directional derivative from multivariable calculus. Cartesian differential categories provide a categorical semantics of the differential lambda-calculus and have also found applications in causal computation, incremental computation, game theory, differentiable programming, and machine learning. There has recently been a desire to provide a (coordinate-free) characterization of Jacobians and gradients in Cartesian differential categories. One's first attempt might be to consider Cartesian differential categories which are Cartesian closed, such as models of the differential lambda-calculus, and then take the curry of the derivative. Unfortunately, this approach excludes numerous important examples of Cartesian differential categories such as the category of real smooth functions. In this paper, we introduce linearly closed Cartesian differential categories, which are Cartesian differential categories that have an internal hom of linear maps, a bilinear evaluation map, and the ability to curry maps which are linear in their second argument. As such, the Jacobian of a map is defined as the curry of its derivative. Many well-known examples of Cartesian differential categories are linearly closed, such as, in particular, the category of real smooth functions. We also explain how a Cartesian closed differential category is linearly closed if and only if a certain linear idempotent on the internal hom splits. To define the gradient of a map, one must be able to define the transpose of the Jacobian, which can be done in a Cartesian reverse differential category. Thus, we define the gradient of a map to be the curry of its reverse derivative and show this equals the transpose of its Jacobian. We also explain how a linearly closed Cartesian reverse differential category is precisely a linearly closed Cartesian differential category with an appropriate notion of transpose.


翻译:Cartesian 差分类别中配有不同的组合, 使多可变微积分中的方向衍生物正式化。 Cartesian 差分类别提供了差分羊羔- 计算计算器的绝对语义, 并在因果计算、 增量计算、 游戏理论、 不同的编程和机器学习中也找到了应用。 最近人们一直希望提供一种( 无坐标的) Jacobian 和 Cartesian 差分类别中的梯度特征。 第一次尝试的尝试可能是考虑Cartesian 差分类别中封闭的Cartesian 差分类别, 如 差分羊羔- 计算器的模型, 然后选择衍生物的咖哩。 不幸的是, 这个方法排除了Cartes 差类别中的许多重要例子, 例如真正的平滑度功能类别。 我们引入了线性Cartesian 差分类别中的一种内部图, 双线性评估图中只有直流的变数, 以及 corry 差的特性是线性类别中的一种。 因此, 这个地图的直径直线性类别中的定义是卡路变的, 。

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