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이중 잉여류

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1. 개요

이중 잉여류는 군 G의 두 부분군 H와 K 및 G의 원소 g에 대해 정의되는 집합으로, 왼쪽 잉여류와 오른쪽 잉여류를 일반화한 개념이다. 이중 잉여류는 군 G를 분할하며, 이중 잉여류의 수와 크기는 중요한 성질을 갖는다. 이중 잉여류는 대칭군, 일반 선형군과 같은 구체적인 군에서 예시를 찾을 수 있으며, 군환, 헤케 대수, 군 작용, 표현론, 함수 해석, 클리포드-클라인 형식, 수론 등 다양한 수학 분야에 응용된다.

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이중 잉여류
이중 잉여류
분야그룹 이론
정의
주어진 군G
부분군H, K ⊆ G
이중 잉여류HgK = { hgk : h ∈ H, g ∈ G, k ∈ K }

2. 정의

G의 두 부분군 H, K \le G 및 군의 원소 g \in G에 대하여, HK에 대한 g의 '''이중 잉여류'''(double coset)는 다음과 같은 집합이다.

:HgK = \{hgk \colon h \in H, k \in K\}

이는 군 작용의 관점에서 볼 수도 있다. 부분군 HG에 왼쪽 곱셈으로 작용하고, 부분군 KG에 오른쪽 곱셈으로 작용한다고 할 때, G의 원소 x에 대한 '''(H, K)-이중 잉여류'''는 위와 같이 정의된 집합 HxK이다. 만약 H = K인 경우, 이를 간단히 '''H-이중 잉여류'''라고 부르기도 한다.

이중 잉여류는 다음과 같은 동치 관계에서 x의 동치류로도 정의할 수 있다.

:x \sim y 인 것은 h \in Hk \in K 가 존재하여 hxk = y 인 것과 동치이다.

이중 잉여류는 일반적인 잉여류 개념을 확장한 것이다.


  • 만약 H가 자명 부분군 \{e\} (여기서 eG의 항등원)이면, 이중 잉여류 e g K = gKK에 대한 g의 왼쪽 잉여류가 된다.
  • 만약 K가 자명 부분군 \{e\}이면, 이중 잉여류 H g e = HgH에 대한 g의 오른쪽 잉여류가 된다.


만약 HK가 모두 G정규 부분군이라면, HK에 대한 이중 잉여류 HgKKH에 대한 이중 잉여류 KgH와 일치한다. 즉, HgK = KgH이다.

G에서 두 부분군 HK에 대한 모든 이중 잉여류들의 집합은 H \backslash G / K로 표기한다. 즉,

:H \backslash G / K = \{ HgK \colon g \in G \}

이 집합은 G를 서로소인 이중 잉여류들로 분할한다.

3. 성질

G의 두 부분군 H,K\le G에 대하여, 이중 잉여류의 집합 H\backslash G/KG분할을 이룬다. 즉, 임의의 g,g'\in G에 대하여, HgK=Hg'K이거나 HgK\cap Hg'K=\varnothing이다.

G의 두 부분군 H,K\le G에 대하여, |H\backslash G/K|=|K\backslash G/H|이다. 즉, 두 부분군에 대한 이중 잉여류의 수와 순서를 교환한 두 부분군에 대한 이중 잉여류의 수는 같다. 이는 다음과 같은 함수가 전단사 함수임을 보임으로써 증명할 수 있다.

:H\backslash G/K\to K\backslash G/H

:HgK\mapsto Kg^{-1}H

G의 두 부분군 H,K\le G 및 군의 원소 g\in G에 대하여, 이중 잉여류 HgK크기는 다음과 같이 계산된다.

:|HgK|=\frac



이는 |HgK|=|H(gKg^{-1})|=\frac

=\frac

와 같이 증명된다.

G를 군으로 하고, HK를 부분군이라고 하자. HG에 왼쪽 곱셈으로 작용하고, KG에 오른쪽 곱셈으로 작용한다고 가정하자. G의 각 원소 x에 대해, '''(H, K)-이중 잉여류'''는 다음과 같은 집합이다.

:HxK = \{ hxk \colon h \in H, k \in K \}.

만약 H = K이면, 이를 '''H-이중 잉여류'''라고 한다. 이는 x \sim yhxk = yh \in Hk \in K가 존재하는 것으로 정의하는 동치 관계에서 x의 동치류와 같다. 모든 (H,K)-이중 잉여류의 집합은 H \,\backslash G / K로 표기한다.

(H, K)-이중 잉여류는 (h, k) \cdot x = hxk^{-1}G에 작용하는 곱군 H \times K에 대한 궤도로 볼 수도 있다. 이 관점에서 이중 잉여류의 여러 기본 속성을 이해할 수 있다.

  • 두 이중 잉여류 HxKHyK는 서로 상호소이거나 동일하다.
  • G는 이중 잉여류들의 상호소 집합이다.
  • HxKKx^{-1}H로 대응시키는 함수를 통해 두 이중 잉여류 공간 H \backslash G / KK \backslash G / H 사이에 일대일 대응 관계가 존재한다.
  • 만약 H = \{1\} (항등원만 포함하는 자명 부분군)이면, H \backslash G / K = G / K (오른쪽 잉여류 공간)이다. 마찬가지로 K = \{1\}이면, H \backslash G / K = H \backslash G (왼쪽 잉여류 공간)이다.
  • 이중 잉여류 HxKH의 오른쪽 잉여류들의 합집합이자 K의 왼쪽 잉여류들의 합집합이다. 구체적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

:\begin{align}

HxK &= \bigcup_{k \in K} Hxk = \coprod_{Hxk \,\in\, H \backslash HxK} Hxk,

\\

HxK &= \bigcup_{h \in H} hxK = \coprod_{hxK \,\in\, HxK / K} hxK.

\end{align}

  • (H, K)-이중 잉여류의 집합은 함수 HgK \to H(gK)HgK \to (Hg)K를 통해 궤도 H \backslash (G / K)(H \backslash G) / K와 각각 전단사 관계에 있다.
  • 만약 HG정규 부분군이면 H \backslash G는 군이 되며, 이 군에 대한 K의 오른쪽 작용은 H \backslash HK의 오른쪽 작용을 통해 인수분해된다. 따라서 H \backslash G / K = G / HK이다. 비슷하게 K가 정규 부분군이면 H \backslash G / K = HK \backslash G이다.
  • 만약 HG의 정규 부분군이면 H-이중 잉여류는 왼쪽 (및 오른쪽) H-잉여류와 일대일 대응된다.
  • 오른쪽 K 작용에 대한 오른쪽 H-잉여류 Hxk \in H \backslash HxK의 안정자(stabilizer)는 K \cap (xk)^{-1}Hxk이다. 마찬가지로, 왼쪽 H 작용에 대한 왼쪽 K-잉여류 hxK \in HxK / K의 안정자는 H \cap hxK(hx)^{-1}이다.
  • 결과적으로 HxK에 포함된 H의 오른쪽 잉여류의 수는 지수 [K : K \cap x^{-1}Hx]이고, HxK에 포함된 K의 왼쪽 잉여류의 수는 지수 [H : H \cap xKx^{-1}]이다. 따라서 다음 관계식이 성립한다.

:\begin{align}

|HxK| &= [H : H \cap xKx^{-1}] |K| = |H| [K : K \cap x^{-1}Hx], \\

\left[G : H\right] &= \sum_{HxK \,\in\, H \backslash G / K} [K : K \cap x^{-1}Hx], \\

\left[G : K\right] &= \sum_{HxK \,\in\, H \backslash G / K} [H : H \cap xKx^{-1}].

\end{align}

  • 만약 G, H, K가 유한군이면, 위 식으로부터 다음이 성립한다.

:\begin{align}

|HxK| &= \frac

= \frac

, \\

\left[G : H\right] &= \sum_{HxK \,\in\, H \backslash G / K} \frac

, \\

\left[G : K\right] &= \sum_{HxK \,\in\, H \backslash G / K} \frac

.

\end{align}

  • G에서 x를 고정하고 (H \times K)_x = \{(h, k) : hxk = x \}를 이중 안정자(double stabilizer)라고 하면, 이는 H \times K의 부분군이다.
  • 궤도-안정자 정리에 의해, HxK(H \times K) / (H \times K)_x 사이에는 hxk(h, k^{-1})(H \times K)_x에 대응시키는 전단사가 존재한다. 따라서 G, H, K가 유한군이면 다음이 성립한다.

:|HxK| = [H \times K : (H \times K)_x] = |H \times K| / |(H \times K)_x|.

  • 코시-프로베니우스 보조 정리(번사이드 보조 정리)에 따르면, G^{(h, k)}(h, k)의 작용에 의해 고정되는 G의 원소 집합이라고 할 때, 이중 잉여류의 수는 다음과 같다.

:|H \,\backslash G / K| = \frac{1}

\sum_{(h, k) \in H \times K} |G^{(h, k)}|.

특히 G, H, K가 유한군이면, 이중 잉여류의 수는 군 원소 쌍 (h, k)에 대해 고정되는 점의 평균 개수와 같다.

이중 잉여류는 단일 잉여류 공간을 통해서도 설명될 수 있다. G가 잉여류 공간의 곱 G / H \times G / K에 왼쪽 곱셈으로 작용한다고 하자. 이 작용의 궤도는 H \backslash G / K와 일대일 대응 관계에 있으며, (xH, yK)는 이중 잉여류 Hx^{-1}yK에 대응된다. 유사하게 GH \backslash G \times K \backslash G에 오른쪽 곱셈으로 작용할 때도 그 궤도는 H \backslash G / K와 일대일 대응된다. 이는 이중 잉여류 공간을 H-잉여류와 K-잉여류의 상대적 구성을 나타내는 공간으로 이해할 수 있게 한다.

라그랑주 정리의 유사성은 이중 잉여류에 대해 일반적으로 성립하지 않는다. 즉, 이중 잉여류의 크기가 반드시 군 G의 위수(크기)를 나누는 것은 아니다. 예를 들어, G = S_3 (3개 문자에 대한 대칭군, 위수 6)이고, HK를 각각 전치 (1 2)(1 3)으로 생성된 순환 부분군(크기 2)이라고 하자. 항등 순열을 e라고 하면,

:HeK = HK = \{ e, (1 2), (1 3), (1 3 2) \}

이다. 이 이중 잉여류의 크기는 4인데, 4는 S_3의 위수인 6을 나누지 않는다. 또한, 다른 이중 잉여류가 반드시 같은 크기를 갖는 것도 아니다. 같은 예에서,

:H(2 3)K = \{ (2 3), (1 2 3) \}

이며, 이 이중 잉여류의 크기는 2이다.

그러나 H (또는 K)가 G의 정규 부분군인 경우에는 상황이 다르다. 앞서 언급했듯이 H가 정규이면 이중 잉여류 공간은 왼쪽 잉여류 공간 G / HK와 같고, K가 정규이면 오른쪽 잉여류 공간 HK \backslash G와 같다. 이 경우 다음이 성립한다.

  • 모든 x \in G에 대해 |HxK| = |HK|이다. 즉, 모든 이중 잉여류는 동일한 크기를 갖는다.
  • G가 유한군이면 |G| = |HK| \cdot |H \backslash G / K|이다. 특히, |HK||H \backslash G / K|는 모두 |G|를 나눈다.

4. 예시


  • ''G'' = ''S''''n''을 집합 {1, ..., ''n''}의 순열로 간주되는 대칭군이라고 하자. ''n''을 안정화시키는 부분군 ''H'' = ''S''''n''−1을 고려해 보자. 그러면 이중 잉여류 ''S''''n''−1 \ ''S''''n'' / ''S''''n''−1는 두 개로 구성된다. 이 중 하나는 ''H'' = ''S''''n''−1이고, 다른 하나는 ''n''을 고정하지 않는 임의의 순열 ''γ''에 대해 ''S''''n''−1 ''γ'' ''S''''n''−1이다. 이는 ''S''''n'' / ''S''''n''−1n개의 원소 \gamma_1 S_{n-1}, \gamma_2 S_{n-1}, ..., \gamma_n S_{n-1}를 가지는 것과 대조되는데, 여기서 각 \gamma_i(n) = i이다.

  • ''G''를 군 GL''n''(\mathbf{R})이라고 하고, ''B''를 상삼각 행렬의 부분군이라고 하자. 이중 잉여류 공간 ''B'' \ ''G'' / ''B''는 ''G''의 브뤼하 분해이다. 이중 잉여류는 정확히 ''BwB''이며, 여기서 ''w''는 모든 ''n'' × ''n'' 순열 행렬을 나타낸다. 예를 들어, ''n'' = 2이면,

B \,\backslash\! \operatorname{GL}_2(\mathbf{R}) / B = \left\{ B\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{pmatrix}B,\ B\begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix}B \right\}.

5. 자유 아벨 군에서의 곱

''G''가 이고, ''H'', ''K'', ''L''이 부분군이라고 하자. 특정 유한성 조건 하에서, (''H'', ''K'')-이중 잉여류와 (''K'', ''L'')-이중 잉여류 집합에 의해 생성된 자유 아벨 군 사이에 곱셈 연산을 정의할 수 있다. 이 곱의 결과는 (''H'', ''L'')-이중 잉여류 집합에 의해 생성된 자유 아벨 군의 원소가 된다. 즉, 다음과 같은 쌍선형 사상이 존재한다.

:\mathbf{Z}[H \backslash G / K] \times \mathbf{Z}[K \backslash G / L] \to \mathbf{Z}[H \backslash G / L]

간단히 ''G''가 유한하다고 가정해 보자. 이 곱을 정의하기 위해, 이러한 자유 아벨 군을 ''G''의 군환을 이용하여 재해석한다. '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''K'']의 모든 원소는 다음과 같은 형태를 가진다.

:\sum_{HxK \in H \backslash G / K} f_{HxK} \cdot [HxK]

여기서 \{ f_{HxK} \}는 ''H'' \ ''G'' / ''K''의 원소로 인덱싱된 정수 집합이다. 이 원소는 ''H'' \ ''G'' / ''K'' 상의 '''Z''' 값을 갖는 함수, 즉 HxK \mapsto f_{HxK}로 해석될 수 있다. 이 함수는 원소 ''x''를 이중 잉여류 ''HxK''로 보내는 사영 G \to H \backslash G / K를 통해 ''G'' 상의 함수로 끌어올릴 수 있다. 그 결과 함수는 x \mapsto f_{HxK}가 된다. 이 함수는 구성 방식에 따라 ''H''에 대해 좌측 불변이고 ''K''에 대해 우측 불변이다. 이에 대응하는 군환 '''Z'''[''G'']의 원소는 다음과 같다.

:\sum_{x \in G} f_{HxK} \cdot [x]

이 원소는 ''H''에 의한 좌측 곱셈과 ''K''에 의한 우측 곱셈에 대해 불변이다. 개념적으로 이 원소는 각 이중 잉여류 ''HxK''를 그것이 포함하는 원소들의 합으로 대체하여 얻어지며, ''G''의 유한성은 이 합이 유한함을 보장한다. 반대로, ''H''에 대해 좌측 불변이고 ''K''에 대해 우측 불변인 '''Z'''[''G'']의 모든 원소는 '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''K'']에 있는 어떤 원소(함수)를 끌어올린 것이다. 유사한 설명이 '''Z'''[''K'' \ ''G'' / ''L'']과 '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''L'']에도 적용된다.

'''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''K''], '''Z'''[''K'' \ ''G'' / ''L''], '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''L'']의 원소를 '''Z'''[''G'']의 불변 원소로 해석할 때, 위에서 정의한 곱은 '''Z'''[''G'']에서의 곱셈과 정확히 일치한다. 실제로, ''H''-좌측 불변 원소와 ''L''-우측 불변 원소의 곱이 여전히 ''H''-좌측 불변이고 ''L''-우측 불변임을 확인하는 것은 간단하다. 곱의 쌍선형성은 '''Z'''[''G'']에서의 곱셈이 쌍선형이라는 점에서 바로 따라 나온다. 또한, 만약 ''M''이 ''G''의 네 번째 부분군이라면, (''H'', ''K'')-, (''K'', ''L'')-, (''L'', ''M'')-이중 잉여류의 곱은 결합 법칙을 만족한다. '''Z'''[''G'']에서의 곱은 ''G'' 상의 함수의 컨볼루션에 해당하므로, 이 곱을 컨볼루션 곱(convolution product)이라고 부르기도 한다.

중요한 특수한 경우는 H = K = L일 때이다. 이 경우, 곱은 다음과 같은 쌍선형 함수가 된다.

:\mathbf{Z}[H \backslash G / H] \times \mathbf{Z}[H \backslash G / H] \to \mathbf{Z}[H \backslash G / H]

이 곱셈 연산은 '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''H'']를 결합 환으로 만든다. 이 환의 항등원은 자명한 이중 잉여류 [''H'']에 해당한다. 일반적으로 이 환은 비가환환이다. 예를 들어, 만약 H = \{1\} (자명 부분군)이면, 이 환은 군환 '''Z'''[''G'']와 같으며, 군환은 기반 군 ''G''가 아벨 군일 경우에만 가환환이다.

만약 ''H''가 정규 부분군이라면, ''H''-이중 잉여류는 몫군 ''G'' / ''H''의 원소와 동일하므로, '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''H''] 상의 곱은 군환 '''Z'''[''G'' / ''H'']에서의 곱과 같다. 특히, 이는 ''G'' / ''H'' 상의 함수의 일반적인 컨볼루션이다. 이 경우, 환은 ''G'' / ''H''가 아벨 군일 때, 즉 ''H''가 ''G''의 교환자 부분군을 포함할 때만 가환이다.

만약 ''H''가 정규 부분군이 아니라면, '''Z'''[''H'' \ ''G'' / ''H'']는 ''G''가 비아벨 군일 경우에도 가환일 수 있다. 고전적인 예는 두 헤케 연산자의 곱이다. 이는 헤케 대수에서의 곱셈 연산인데, 군 ''G''가 비아벨 군인 모듈러 군이고 부분군 ''H''가 산술 부분군이며 교환자 부분군을 포함하지 않더라도 가환성을 가진다. 컨볼루션 곱의 가환성은 겔판드 쌍의 개념과 밀접하게 관련되어 있다.

군 ''G''가 위상군일 경우, 각 이중 잉여류에서 좌측 및 우측 잉여류의 수가 유한하다는 가정을 완화할 수 있다. 군환 '''Z'''[''G'']는 L^2(G) 또는 C^\infty(G)와 같은 함수 공간의 대수로 대체되고, 합은 적분으로 대체된다. 곱셈 연산은 여전히 컨볼루션에 해당한다. 예를 들어, 이러한 구조는 국소 콤팩트 군의 헤케 대수에서 나타난다.

6. 응용

G가 집합 S에 대해 추이적 군 작용을 가질 때, G의 특정 이중 잉여류 분해를 계산하면 GS에 작용하는 구조에 대한 추가 정보를 얻을 수 있다. 특히, H가 어떤 원소 s \in S의 안정 부분군이면, G(H, H) 이중 잉여류 정확히 두 개로 분해되며, 이는 GS의 서로 다른 원소 쌍들의 집합에 대해 추이적으로 작용하는 경우에만 해당한다. 이 작용에 대한 자세한 내용은 2-추이적 군 문서를 참조할 수 있다.

이중 잉여류는 H의 표현이 G유도 표현을 구성하는 데 사용된 다음, K로 제한될 때 표현론과 관련하여 중요하다. 해당 이중 잉여류 구조는 결과 표현이 어떻게 분해되는지에 대한 정보를 담고 있다. 유한군의 경우, 이는 매키의 분해 정리이다.

또한, 함수 해석에서도 중요한데, 어떤 중요한 경우에 부분군 K에 의해 좌변 및 우변 불변인 함수가 합성곱 하에서 가환환을 형성할 수 있다. 겔판트 쌍을 참조할 수 있다.

기하학에서 클리포드-클라인 형식은 이중 잉여류 공간 \Gamma \backslash G / H이며, 여기서 G는 환원적 리 군, H는 닫힌 부분군이고, \Gamma는 균질 공간 G / H에 제대로 불연속적으로 작용하는 (G의) 이산 부분군이다.

수론에서, 모듈라 군의 합동 부분군 \Gamma에 해당하는 헤케 대수는 이중 잉여류 공간 \Gamma \backslash \mathrm{GL}_2^+(\mathbb{Q}) / \Gamma의 원소에 의해 생성된다. 대수 구조는 위에서 설명한 이중 잉여류의 곱셈에서 얻어진다. 특히 중요한 것은 이중 잉여류 \Gamma_0(N) g \Gamma_0(N) 또는 \Gamma_1(N) g \Gamma_1(N)에 해당하는 헤케 연산자 T_m이며, 여기서 g = \left( \begin{smallmatrix} 1 & 0 \\ 0 & m \end{smallmatrix} \right) (이들은 mN서로소인지 여부에 따라 다른 속성을 갖는다)와, 다이아몬드 연산자 \langle d \rangle는 이중 잉여류 \Gamma_1(N) \left(\begin{smallmatrix} a & b \\ c & d \end{smallmatrix} \right) \Gamma_1(N)에 의해 주어지며, 여기서 d \in (\mathbb{Z}/N\mathbb{Z})^\times이고 \left( \begin{smallmatrix} a & b \\ c & d \end{smallmatrix} \right) \in \Gamma_0(N)을 필요로 한다 (a, b, c의 선택은 답에 영향을 미치지 않는다).

참조

[1] 서적 The Theory of Groups Macmillan
[2] 서적 The Theory of Groups Addison-Wesley



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