생성 집합
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1. 개요
생성 집합은 범주 이론에서 사용되는 개념으로, 범주 내의 사상을 구별하는 데 사용되는 대상들의 집합을 의미한다. 구체적으로, 범주 의 생성 집합 는 임의의 두 사상 에 대해 이면, 를 만족하는 대상 와 사상 가 존재해야 한다. 생성 집합의 개념은 쌍대 생성 집합으로 확장되며, 특히 대수 구조 다양체의 범주, 위상 공간의 범주, 가군의 범주 등 다양한 수학적 구조에서 중요한 역할을 한다. 또한 미분 방정식, 리 군, 확률 과정, 연속 대칭 등 물리학에서도 유사한 개념이 사용된다.
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생성 집합 | |
---|---|
일반 정보 | |
정의 (수학) | 수학적 대상을 생성하는 집합 |
정의 (그룹 이론) | 그룹의 모든 원소를 생성할 수 있는 부분 집합 |
생성 집합 | |
정의 | 수학적 구조의 모든 원소를 생성하는 부분 집합 |
예시 (그룹 이론) | 그룹의 모든 원소를 생성하는 원소의 집합 유한 생성 그룹: 유한한 생성 집합을 갖는 그룹 |
예시 (벡터 공간) | 벡터 공간의 모든 벡터를 선형 결합으로 생성하는 벡터의 집합 기저: 선형 독립인 생성 집합 |
그룹 이론에서의 생성 집합 | |
정의 | 그룹의 모든 원소가 생성 집합의 원소와 그 역원들의 곱으로 표현될 수 있는 부분 집합 |
표기법 | ` |
최소 생성 집합 | 더 작은 부분 집합으로는 그룹을 생성할 수 없는 생성 집합 |
자유 그룹 | 모든 원소가 생성 집합의 원소와 그 역원들의 유한한 곱으로 유일하게 표현되는 그룹 |
생성자 | 그룹을 생성하는 원소 |
유한 생성 그룹 | 유한한 생성 집합을 갖는 그룹 |
예시 | 정수 집합 Z는 1 또는 -1로 생성됨. 순환군 Z/nZ는 1로 생성됨. |
모노이드에서의 생성 집합 | |
정의 | 모노이드의 모든 원소가 생성 집합의 원소들의 곱으로 표현될 수 있는 부분 집합 |
2. 정의
범주 내에서, 특정 대상들의 집합 가 다른 모든 대상을 구별하는 데 사용될 수 있을 때, 이를 '''생성 집합'''이라고 한다. 더 정확히는, 임의의 서로 다른 두 사상 에 대해, 를 만족하는 사상 (여기서 )가 존재해야 한다.[4] 이는 생성 집합의 원소로부터 나가는 사상들을 통해 대상과 사상들을 충분히 '탐색'할 수 있음을 의미한다.
이 개념의 쌍대로서 '''쌍대 생성 집합'''(cogenerating set영어, coseparating set영어)도 정의된다. 이는 임의의 서로 다른 두 사상 에 대해, 를 만족하는 사상 (여기서 )가 존재하는 대상들의 집합 를 말한다.[4] 이는 쌍대 생성 집합의 원소로 들어오는 사상들을 통해 대상과 사상들을 구별할 수 있음을 의미한다.
국소적으로 작은 범주와 같이 특정 조건을 만족하는 범주에서는 이러한 생성 집합 및 쌍대 생성 집합의 개념을 함자의 충실성이나 대상의 표현(예: 몫 대상 또는 부분 대상)과 연관지어 설명할 수 있다.
2. 1. 생성 집합
범주 속의 대상들의 집합 가 다음 조건을 만족시킨다면, 의 '''생성 집합'''이라고 한다.[4]- 임의의 두 사상 에 대하여, 만약 라면, 가 되는 대상 및 사상 가 존재한다.
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만약 가 국소적으로 작은 범주라면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 다음과 같은 함자는 충실한 함자이다.
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만약 가 국소적으로 작은 범주이자 모든 집합 크기의 쌍대곱을 가진다면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 모든 대상 에 대하여, 다음과 같은 사상이 전사 사상이다.
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- :
다시 말해, 모든 대상은 생성 집합에 속하는 대상들의 쌍대곱의 몫 대상과 동형이다.
만약 생성 집합 가 한원소 집합이라면, 를 의 '''생성 대상'''(generating object영어, generator영어)이라고 한다.
위 개념을 모두 쌍대화하여 '''쌍대 생성 집합'''(cogenerating set영어, coseparating set영어)과 '''쌍대 생성 대상'''(cogenerating object영어, cogenerator영어, coseparator영어)을 정의할 수 있다. 범주 속의 대상들의 집합 가 다음 조건을 만족시킨다면, 의 '''쌍대 생성 집합'''이라고 한다.[4]
- 임의의 두 사상 에 대하여, 만약 라면, 가 되는 대상 및 사상 가 존재한다.
- :
만약 가 국소적으로 작은 범주라면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 다음과 같은 함자는 충실한 함자이다.
- :
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만약 가 국소적으로 작은 범주이자 모든 집합 크기의 곱을 가진다면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 모든 대상 에 대하여, 다음과 같은 사상이 단사 사상이다.
- :
- :
다시 말해, 모든 대상은 쌍대 생성 집합에 속하는 대상들의 곱의 부분 대상과 동형이다.
2. 2. 쌍대 생성 집합
생성 집합 개념을 쌍대화하여 '''쌍대 생성 집합'''(cogenerating set|영어, coseparating set|영어)과 '''쌍대 생성 대상'''(cogenerating object|영어, cogenerator|영어, coseparator|영어)을 정의할 수 있다. 범주 속의 대상들의 집합 가 다음 조건을 만족시킨다면, 의 '''쌍대 생성 집합'''이라고 한다.[4]- 임의의 두 사상 에 대하여, 만약 라면, 가 되는 대상 및 사상 가 존재한다.
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만약 가 국소적으로 작은 범주라면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 다음과 같은 함자는 충실한 함자이다.
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만약 가 국소적으로 작은 범주이자 모든 집합 크기의 곱을 가진다면, 이는 다음 조건과 동치이다.
- 모든 대상 에 대하여, 다음과 같은 사상이 단사 사상이다.
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다시 말해, 모든 대상은 쌍대 생성 집합에 속하는 대상들의 곱의 부분 대상과 동형이다.
2. 3. 대수 구조의 경우
대수 구조 다양체의 범주 는 항상 완비 범주이자 쌍대 완비 범주이다. 집합의 범주로 가는 망각 함자 및 그 오른쪽 수반 함자인 자유 대상 함자:
를 생각해 볼 수 있다. 이 경우, 한원소 집합 위의 자유 대상 은 항상 의 생성 대상을 이룬다. 한원소 집합 위의 자유 대상의 쌍대곱은 더 큰 집합 위의 자유 대상이 되는데, 즉 모든 집합 에 대하여 다음이 성립한다.
:
따라서, 이 생성 대상이라는 것은 에 속하는 모든 대수는 자유 대수의 몫대수로 나타낼 수 있음을 의미한다.
대수 를 이와 같이 자유 대수의 몫대수로 나타내는 것을 의 '''표시'''(presentation영어)라고 한다. 이는 일반적으로 다음과 같이 표기한다.
:
여기서
군의 표시는 대수 구조의 표시의 특수한 경우이다.
반면, 일반적으로 대수 구조 다양체의 범주는 쌍대 생성 대상을 가지지 않을 수 있다.
3. 예
범주 는 생성 대상을 갖지 않지만, 집합 는 이 범주의 생성 집합을 이룬다.[4]
어떤 범주들은 쌍대 생성 집합을 갖지 않기도 한다. 예를 들어 다음과 같은 범주들이 있다.[4]
이 외에도 생성 집합의 개념은 여러 수학 분야에서 다양하게 활용된다.
- 벡터 공간을 생성하는 생성 집합
- 군 전체를 생성하지만 어떤 진부분군에도 포함되지 않는 생성 집합
- 환 의 부분 집합 가 를 포함하는 가장 작은 부분환이 자신이 되도록 하는 생성 집합
- 환의 아이디얼을 생성하는 집합
- 가군을 생성하는 집합
- 범주론에서 사상들을 구별하는 데 사용되는 대상인 생성자
- 위상 공간의 위상을 생성하는 집합들의 모임인 준기저
- 위상 대수 의 부분 집합 가 를 포함하는 가장 작은 닫힌 부분 대수가 자신이 되도록 하는 생성 집합
- 부분 집합들의 모임으로부터 σ-대수를 생성하는 집합
3. 1. 집합
집합 에 대하여 다음 두 조건은 서로 동치이다.집합 에 대하여 다음 두 조건은 서로 동치이다.[4]
3. 2. 위상 공간
위상 공간과 연속 함수의 범주 는 국소적으로 작은 범주이며, 완비 범주이자 쌍대 완비 범주이다. 이 범주에서 한원소 공간 은 생성 대상이다.구체적으로 설명하면, 한원소 공간들의 쌍대곱은 이산 공간이다. 임의의 위상 공간 에 대하여, 의 점 집합 에 이산 위상을 부여한 공간을 라고 하자. 이때 집합의 범주 과 사이에는 수반 함자 관계
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가 존재한다. 여기서 는 위상 공간을 그 점들의 집합으로 대응시키는 함자이고, 는 집합에 이산 위상을 부여하여 위상 공간으로 만드는 함자이다. 이 수반 함자 쌍의 쌍대단위원
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은 각 위상 공간 에 대해 연속 함수
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를 정의한다. 이 함수는 항등 함수의 집합론적 이미지를 가지므로 전단사 함수이며, 따라서 범주론적으로 전사 사상이자 단사 사상이다. 이는 모든 위상 공간이 이산 공간의 범주론적 몫 대상으로 표현될 수 있음을 의미한다. 한원소 공간들의 쌍대곱이 이산 공간이므로, 결국 한원소 공간이 의 생성 대상임을 알 수 있다.
위상 공간 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.[4]
- 위상 공간의 범주 의 쌍대 생성 대상이다.
- 콜모고로프 공간이 아니다.
3. 3. 가군
모든 환은 1을 가지며, 모든 가군은 1을 보존한다고 가정한다.환 위의 왼쪽 가군의 범주 는 대수 구조 다양체의 범주이므로, 한원소 집합 위의 자유 가군 는 그 생성 대상을 이룬다. 마찬가지로, 는 오른쪽 가군의 범주 의 생성 대상을 이룬다.
환 위의 왼쪽 가군의 범주 는 또한 항상 쌍대 생성 대상을 갖는다. 구체적으로, 환 의 모든 왼쪽 단순 가군(=극대 왼쪽 아이디얼 에 대한 의 몫가군 )들의 (동형류의) 단사 껍질들의 직합
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을 의 '''표준 쌍대 생성 가군'''(canonical cogenerator|캐노니컬 코제너레이터영어)이라고 하며, 이는 의 쌍대 생성 대상을 이룬다.[5] 특히, 모든 왼쪽 단순 가군들의 집합은 쌍대 생성 집합을 이룬다.
일반적으로, 자유 가군 는 쌍대 생성 대상이 아닐 수 있다. 환 에 대하여, 다음 조건들이 서로 동치이다.[5]
- 모든 충실한 -왼쪽 가군은 의 쌍대 생성 대상이다.
- 는 단사 가군이며 유한 쌍대 생성 가군이다.
- 는 단사 가군이며, 의 모든 왼쪽 단순 가군은 왼쪽 아이디얼과 동형이다. (즉, 왼쪽 카슈 환(left Kasch ring|레프트 카슈 링영어)이다.)
- 는 의 쌍대 생성 대상이며, 의 모든 오른쪽 단순 가군은 오른쪽 아이디얼과 동형이다. (즉, 는 오른쪽 카슈 환이다.)
- 는 의 쌍대 생성 대상이며, 오른쪽 단순 가군의 동형류의 수는 유한하다.
이 조건을 만족시키는 환을 '''왼쪽 유사 프로베니우스 환'''(left pseudo-Frobenius ring|레프트 슈도 프로베니우스 링영어)이라고 한다.
3. 4. 아벨 군
아벨 군의 개념은 정수환 위의 가군과 같다. 이 경우 단순 가군은 소수 크기의 순환군 이며, 그 단사 껍질은 프뤼퍼 군 이다. 따라서 표준 쌍대 생성 가군은 모든 프뤼퍼 군들의 직합인 나눗셈군:
이다.[5] 즉, 모든 아벨 군 는 직접곱
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