추상대수학, 그 여덟 번째 이야기 | 잉여류 ( Coset )  By 초코맛 도비

저번 글에서 부분군 (Subgroup)에 대해 다루었다. 이번 글에서는 그 부분군을 이용하여 정의되는 잉여류와 그를 통해 정의되는 몫군에 대해 알아볼 것이다. 먼저, 잉여류가 무엇인지 알아보자.

 

추상대수, 그 중에서도 특히 군론 (Group Theory)에서, 잉여류 (Coset)는 주어진 부분군에 의해 결정되는 동치관계동치류이다.

 

G와 그의 부분군 H, G의 원소 a에 대해 다음과 같이 정의되는 집합을 a가 속하는 H좌잉여류 (Left Coset)라고 한다.

 

aH={ah|hH}

 

같은 방식으로 우잉여류 (Right Coset)도 정의할 수 있다.

 

Ha={ha|hH}

 

만약 G가 아벨군인 경우를 비롯하여, 덧셈 기호를 사용하는 경우, a+H, H+a와 같이 쓴다.

또한, H가 부분군이 아닌 부분집합이라도 위와 같은 표기는 똑같은 방식으로 정의할 수 있다. 단지 그렇게 만들어진 집합은 H가 부분군이 아니므로 잉여류라고 부를 수 없다.

 

추가적으로, 잉여류 aH에서 aaH대표원 (Representative)이라고 부른다. 이때, 대표원은 해당 잉여류를 대표하는 원소로, 잉여류의 원소 중 아무것이나 될 수 있다.

 

그러면 이런 것들을 정의하는 이유가 대체 무엇일까? 그 이유는 위와 같이 정의된 잉여류가 사실은 동치류라는 사실 때문이다. 이에 대해 설명하기에 앞서 먼저 다음 정리를 보자.

 

Theorem 1.

H를 군 G의 부분군이라 하고, a, bG의 임의의 원소라고 하자. 이때, a(bH)=(ab)H가 성립한다.

 

Proof:

a(bH)의 임의의 원소 x를 생각하자. 그러면 a(bH)의 정의에 의해 x=ayybH가 존재한다. 또한, bH의 정의에 의해 y=bhhH가 존재한다. 따라서 x=abh가 성립하며, (ab)H의 정의에 의해 x(ab)H임을 알 수 있다. 따라서 a(bH)(ab)H이다.

이젠 (ab)H의 임의의 원소 abh를 생각하자. 그러면 abh=a(bh)이므로 abha(bH)가 성립한다. 따라서 (ab)Ha(bH)이다.

a(bH)(ab)H이고 동시에 (ab)Ha(bH)이므로 a(bH)=(ab)H이다.

 

위의 정리 덕분에 abH와 같은 표기가 아무런 오해 없이 사용될 수 있게 된다. 이제 다음 정리를 보자.

 

Theorem 2.

H를 군 G의 부분군이라 하고, a, bG의 임의의 원소라고 하자. 그러면 항상 다음 둘 중 하나가 성립한다.

1. aH=bH
2. aHbH=

 

Proof:

임의의 a,bG를 생각하자.

만약 aHbH가 공집합이라면 2번 조건을 만족하므로 논의가 필요 없다.

만약 aHbH가 공집합이 아니라면 ah1=bh2를 만족하는 h1,h2H가 존재한다.

이때, 양변의 왼쪽에 a의 역원을 곱하면 h1=a1bh2를 얻을 수 있다. 다시 양변의 오른쪽에 h2의 역원을 곱하면 h1h21=a1b를 얻을 수 있으며, 따라서 a1bH임을 알 수 있다. 즉, a1bH=H가 성립한다. 따라서 다음이 성립한다.

aH=a(a1bH)=aa1bH=ebH=bH

따라서 정리가 증명되었다.

 

드디어 잉여류가 동치류라는 것의 증명을 하기 위한 준비가 끝났다. 이제 다음 정리를 보면 왜 잉여류가 동치류가 되는지 알 수 있을 것이다.

 

Theorem 3.

H를 군 G의 부분군이라고 하자. 그러면 임의의 a,bG에 대해 다음과 같은 관계 을 정의할 수 있다.
ababH
그러면 관계 은 동치관계이다.

 

Proof:

임의의 aG에 대해 aaH임은 자명하므로 은 반사적이다.

만약 abH이면, Theorem 2에 의해 aH=bH이다. 등호는 대칭적이므로 역시 대칭적이다.

위와 같은 방식으로 은 추이적이다.

따라서 은 동치관계이다.

 

위의 모든 논의는 좌잉여류에 관해서 이루어졌지만, 같은 논리를 이용하여 우잉여류에 대해서도 같은 내용의 논의를 진행할 수 있다. 마지막으로, 이러한 잉여류들의 집합은 다음과 같이 표기한다.

 

H가 군 G의 부분군일 때, G/HH의 모든 좌잉여류의 집합이다. 즉, 다음과 같다.
G/H={aH|aG}
이때, G/H 의 cardinality를 index of H in G 라고 부르고, [ G:H ] 라고 적는다.

 

이때, H가 특별한 구조를 만족하면 G/H는 군을 이루게 된다. 이에 대해서는 추후 포스팅할 예정이다.

 

또한, 위와 같이 한쪽으로만 잉여류를 생각할 수 있는 것이 아니라 다음과 같이 양쪽에 동시에 연산을 하는 것도 가능하다.

 

H를 군 G의 부분집합이라고 하고 a,bG의 원소라고 하자. 그러면 aHb는 다음과 같이 정의된다.
aHb={ahb|hH}

 

쉽게 예상할 수 있듯이 다음 정리가 성립한다.

 

Theorem 4.

H를 군 G의 부분군이라고 하자. 그러면 임의의 a,bH에 대해 다음이 성립한다.
aHb=a(Hb)=(aH)b

 

증명은 위의 Theorem 1의 증명과 유사하므로 따로 서술하지는 않겠다.

 

또한, 다음과 같은 것을 정의할 수 있다.

 

HK를 군 G의 부분군이라고 하자. 그러면 임의의 gG에 대해 HgK를 다음과 같이 정의한다.
HgK={hgk|hHkK}
이와 같이 정의되는 HgKHK에 대한 g이중 잉여류 (Double Coset)라고 한다. 이때, HK에 대한 이중 잉여류의 집합을 HG/K와 같이 표기한다. 즉, 다음이 성립한다.
HG/K={HgK|gG}

 

위와 같이 정의된 이중 잉여류에 대해 다음이 성립한다.

 

Theorem 5.

HK를 군 G의 부분군이라고 하자. 그러면 임의의 a,bG에 대해 다음 둘 중 하나가 항상 성립한다.
1. HaK=HbK
2. HaKHbK=

 

증명은 위의 Theorem 2의 증명과 유사하므로 따로 서술하지는 않겠다.

 

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