결합 도식은 유한 집합 X와 X × X의 부분 집합들로 구성된 조합론적 구조이다. 이 구조는 여러 가지 정의가 있으며, 조합론적, 행렬, 기하학적 정의가 존재한다. 결합 도식은 대칭, 가환, 균등 결합 도식 등 다양한 종류로 분류되며, 해밍 도식, 존슨 도식 등이 예시로 제시된다. 결합 도식은 부분 결합 도식, 결합 도식 사상 등의 연산을 통해 다루어지며, 보스-메스너 대수, 구조 상수, 올, 직접곱 등의 개념과 성질을 갖는다. 결합 도식은 부호 이론, 설계 이론 등 다양한 분야에 활용되며, 특히 해밍 도식과 존슨 도식은 부호 이론에서 중요한 역할을 한다. 이 개념은 1952년 보스와 시마모토에 의해 도입되었으며, 보스-메스너 대수, D. G. 히그만에 의해 발전되었다.
더 읽어볼만한 페이지
대수적 조합론 - 유한환 유한환은 유한 집합인 환, 유사환, 가환환, 가환 유사환을 통칭하는 용어이며, 모든 유한환은 뇌터 환이자 아르틴 환이고, 유한체 이론은 유한환 이론의 중요한 측면이다.
대수적 조합론 - 근접 대수 국소 유한 부분 순서 집합 위의 폐구간에서 정의된 함수들의 대수 구조인 근접 대수는 가환환 에 대하여 속의 폐구간에서 로 가는 함수들의 집합으로 정의되며, 뫼비우스 반전 공식은 근접 대수의 중요한 응용 중 하나이다.
분산 분석 - 다층 모형 다층 모형은 계층 구조 데이터 분석에 사용되는 통계 방법으로, 변수의 측정 수준을 명확히 하고 고정 효과와 변량 효과를 동시에 고려하며, 무작위 절편 모형, 무작위 기울기 모형 등 다양한 종류가 있다.
분산 분석 - 등분산성 등분산성은 통계학에서 모수 추정치의 통계량들이 동일한 분산을 갖는 성질로, 고전적 회귀 모형 등에서 오차항의 분산이 모든 관찰값에 대해 동일하다는 가정이며, 바틀렛 검정 등으로 검정할 수 있다.
결합 도식의 개념은 여러 가지 방식으로 정의될 수 있으며, 이 정의들은 모두 서로 동치이다. 주로 사용되는 정의 방식으로는 이항 관계들의 집합을 이용하는 조합론적 정의,[14][12]행렬들의 대수를 이용하는 정의,[12] 그리고 거리 공간과 유사한 개념을 이용하는 기하학적 정의[14] 등이 있다. 어떤 정의를 사용하든 본질적으로 동일한 수학적 구조를 다루게 된다. 각 정의 방식에 대한 자세한 내용은 아래 하위 섹션에서 설명한다.
조합론적 정의에서, 임의의 R,R',R''\in\mathcal R 및 (x,y)\in R에 대하여, |\{z\in X\colon x\sim_{R'}z\sim_{R''}y\}|=|\{z\in X\colon x\sim_{R''}z\sim_{R'}y\}|
행렬을 통한 정의 (X,\mathcal A)에서, 임의의 A,B\in\mathcal A에 대하여 AB=BA이다.
기하학적 정의 (X,\partial)에서, 임의의 x,y\in X에 대하여, \forall z\in X\colon (\partial(x,z),\partial(z,y))=(\partial(y,f(z)),\partial(f(z),x))가 되는 자기 전단사 함수f\colon X\to X가 존재한다.
결합 도식 (X,\mathcal R)이 다음 조건을 만족시킨다면, '''균등 결합 도식'''(均等結合圖式, homogeneous association scheme영어)이라고 한다.
조합론적 정의 (X,\mathcal R)에서, \{(x,x)\colon x\in X\}\in\mathcal R이다.
행렬을 통한 정의 (X,\mathcal A)에서, I_
\in\mathcal A이다. (여기서 I는 단위 행렬이다.)
기하학적 정의 (X,\partial)에서, \forall x,y\in X\colon \partial(x,x)=\partial(y,y)이다.
다음과 같은 포함 관계가 성립한다.
:대칭 결합 도식 ⊊ 가환 결합 도식 ⊊ 균등 결합 도식 ⊊ 결합 도식
4. 1. 구조 상수
임의의 결합 도식 X의 구조 상수들 (p_{ij}^k)_{1\le i,j,k\le n}은 다음을 만족시킨다.
:\sum_{i,j,k=0}^np_{ij}^k|R_k|=|X|^3
만약
:R_i^{\operatorname{op}}=R_{\bar\imath}
:R_j^{\operatorname{op}}=R_{\bar\jmath}
:R_k^{\operatorname{op}}=R_{\bar k}
일 때, 다음이 성립한다.
:p_{jk}^i=p_{\bar k\bar\jmath}^{\bar\imath}
균등 결합 도식 (X,\mathcal R)의 구조 상수들 (p_{ij}^k)_{1\le i,j,k\le n}은 다음을 만족시킨다.[12]
숫자 p_{ij}^k는 도식의 매개변수(parameter)라고 불린다. 또한 구조 상수(structure constant)라고도 한다.
4. 2. 대칭 결합 도식과 변 색칠
대칭 결합 도식 (X,\mathcal R)이 주어졌다고 하자. 이 도식의 정보를 이용해, X의 원소를 꼭짓점으로 하는 완전 그래프K_X 위에 특별한 변 색칠을 정의할 수 있다. 각 변 (x,y)에 대해, 만약 (x,y)가 관계 R \in \mathcal R (R \ne R_0)에 속한다면, 그 변의 색을 R로 칠하는 것이다. 즉, 변 색칠 함수 c\colon \operatorname E(K_X)\to \mathcal R\setminus\{R_0\}는 다음과 같이 정의된다.
이러한 관점에서, 대칭 결합 도식은 특정 규칙을 만족하는 변 색칠이 주어진 유한 완전 그래프로 이해할 수 있다.[12]
대칭 결합 도식은 각 간선에 레이블이 붙은 완전 그래프로 시각화될 수 있다. 이 그래프는 v개의 정점을 가지며, 각 정점은 집합 X의 한 점에 해당한다. 두 정점 x와 y를 연결하는 간선은, 만약 x와 y가 i번째 관계R_i에 속한다면 레이블 i를 갖는다. 대칭 결합 도식의 중요한 성질 중 하나는 삼각형과 관련된 것이다. 임의의 두 정점 x, y에 대해, 이들을 잇는 간선의 레이블이 k일 때, x와 어떤 정점 z를 잇는 간선의 레이블이 i이고, y와 z를 잇는 간선의 레이블이 j인 정점 z의 개수는 p^k_{ij}라는 상수로 일정하다. 이 값은 i, j, k에 따라 달라지지만, 밑변 (x,y)의 선택과는 무관하다. 특히, 각 정점에 연결된 레이블 i의 간선 수는 정확히 p^0_{ii}=v_{i}개인데, 이 v_i를 관계R_i의 원자가라고 부른다. 또한, 각 정점 x에는 자기 자신으로 돌아오는 루프(loop)가 있으며, 이는 관계 R_0에 해당하고 레이블 0을 갖는다.
결합 도식의 관계들은 인접 행렬을 사용하여 표현할 수 있다. 각 관계 R_i (i=0,\ldots,n)에 대해, v \times v 크기의 행렬 A_i를 정의하는데, 이 행렬의 행과 열은 X의 점들로 인덱싱된다. A_i의 (x,y) 성분은 다음과 같이 정의된다.
이 인접 행렬들을 사용하면, 대칭 결합 도식의 정의는 다음과 같은 조건을 만족하는 v \times v (0,1)-행렬들의 집합 \{A_0, A_1, \ldots, A_n\}을 찾는 것과 동일하다.
:I. 모든 A_i는 대칭 행렬이다. 즉, A_i = A_i^T이다.
:II. 모든 인접 행렬의 합은 모든 성분이 1인 행렬 J이다. 즉, \sum_{i=0}^n A_i = J이다. 이는 모든 두 점의 쌍이 정확히 하나의 관계에 속한다는 것을 의미한다.
:III. A_0는 단위 행렬 I이다. 즉, A_0 = I이다. 이는 관계 R_0가 (x,x) 형태의 쌍들로만 이루어져 있음을 의미한다.
:IV. 임의의 i, j에 대해, 행렬 곱 A_i A_j는 A_k들의 선형 결합으로 표현된다. 즉, A_i A_j = \sum_{k=0}^n p^k_{ij}A_k이다. 또한, 이 행렬들은 서로 교환 가능하다. 즉, A_i A_j = A_j A_i이다.
조건 (IV)에서 행렬 곱 A_i A_j의 (x,y)-번째 성분은, 정점 x에서 시작하여 레이블 i인 간선을 따라 어떤 중간 정점 z로 가고, 다시 레이블 j인 간선을 따라 정점 y로 도착하는 길이 2인 경로의 수를 나타낸다. 또한, 각 행렬 A_i의 모든 행과 열의 합은 해당 관계의 원자가 v_i와 같다. 이는 다음 수식으로 표현된다.
여기서 \delta_{ab}는 크로네커 델타이다. 또한, 편의상 E_0를 다음과 같이 정의한다.
:E_0=\frac1
\mathsf J_
.
\mathsf J_
는 모든 성분이 1인 |X|\times|X| 정사각 행렬이며, 아다마르 곱의 항등원이다. E_0는 결합 도식의 공리에 따라 보스-메스너 대수의 원소이며, 0이 아닌 고윳값이 1개뿐인 멱등원이므로 위 분해에 항상 포함된다.
특히, 멱등원 E_a를 결합 도식의 인접 행렬 D_i들의 선형 결합으로 나타냈을 때의 계수를 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.
:|X|E_a=\sum_{i=0}^nQ_{ai}D_i
이 계수 행렬 Q = (Q_{ai})를 제2 고유 행렬(second eigenmatrix) 또는 문자표(character table)라고 부르기도 한다.
결합 도식의 관계는 인접 행렬로 나타낼 수 있다. i=0,\ldots,n에 대해 관계 R_{i}의 인접 행렬 A_i는 X의 원소들로 행과 열이 색인된 ''v'' × ''v'' 행렬이며, 다음과 같이 정의된다.
:\left( A_i \right)_{x,y} = \begin{cases}
1, & \mbox{if } (x,y) \in R_{i},\\
0, & \mbox{otherwise.} \end{cases}
특히 대칭 결합 도식의 경우, 인접 행렬 A_i는 다음 조건을 만족하는 ''v'' × ''v'' (0,1)-행렬이다.
:I. A_i는 대칭 행렬이다 (A_i = A_i^T).
:II. \sum_{i=0}^n A_i = J (모든 성분이 1인 행렬).
:III. A_0 = I (단위 행렬).
:IV. A_i A_j = \sum_{k=0}^n p^k_{ij}A_k = A_j A_i for i,j=0,\ldots,n. 여기서 p^k_{ij}는 결합 도식의 교차수(intersection number)이다. 이 조건은 행렬들이 서로 교환 가능함을 의미한다.
이 인접 행렬들 A_0, A_1, \ldots, A_n은 행렬 곱과 점별 곱(아다마르 곱) 모두에 대해 가환적이고 결합적인 대수 \mathcal{A}(보통 실수 또는 복소수 위에서 정의됨)를 생성한다. 이 대수 \mathcal{A}가 바로 결합 도식의 '''보스-메스너 대수'''이다.
보스-메스너 대수 \mathcal{A}의 행렬들은 대칭 행렬이고 서로 교환 가능하므로, 선형대수학의 정리에 따라 동시에 대각화될 수 있다. 이는 \mathcal{A}가 반단순 대수임을 의미하며, 서로 직교하는 원시 멱등 행렬E_{0},\ldots,E_{n} (위에서 언급한 E_a와 표기법이 다를 수 있음)들의 유일한 기저를 가진다는 것을 뜻한다.
보스-메스너 대수 \mathcal{A}와 동형인 (n+1)\times(n+1) 행렬로 구성된 또 다른 대수가 존재하는데, 이를 이용하면 보스-메스너 대수의 구조를 더 쉽게 분석할 수 있는 경우가 많다.
4. 4. 가환 결합 도식의 쌍대성
가환 결합 도식 X의 경우, 최소 멱등원의 수는 |X|=n와 같으며, 멱등원들 (E_a)_{0\le a\le n}은 보스-메스너 대수 \mathcal A의 기저를 이룬다. 이에 따라, 다음을 정의할 수 있다.
:D_i=\sum_{a=0}^nP_{i,a}E_a
또한, D_i들은 모두 아다마르 곱 \bigcirc에 대하여 닫혀 있으므로, E_a들의 아다마르 곱에 대한 구조 상수 q_{ab}^c를 다음과 같이 정의할 수 있다. (아다마르 곱은 교환 법칙을 따르므로 q_{ab}^c=q_{ba}^c이다.)
를 정의하면, (X,\mathcal R) 역시 결합 도식을 이룬다. 이를 '''이산 결합 도식'''(discrete association scheme영어)이라고 한다.[17]
그러나 집합 X의 원소 개수가 2개 이상일 경우(|X|\ge2), 이산 결합 도식은 균등 결합 도식이 아니다.
6. 3. 해밍 결합 도식과 존슨 결합 도식
임의의 곱집합X=F^n 위에, 두 벡터 사이의 해밍 거리가 0, 1, \dots, n인 것을 각각 이항 관계로 삼으면, 이는 결합 도식을 이룬다. 이를 '''해밍 결합 도식'''이라고 한다.
구체적인 예시로 '''해밍 도식'''(Hamming scheme), ''H''(''n'', ''q'')는 다음과 같이 정의된다. ''H''(''n'', ''q'')의 점(vertex)은 크기가 ''q''인 집합에서 원소를 가져와 순서대로 나열한 ''n''-튜플q^n개이다. 두 개의 ''n''-튜플 ''x'', ''y''는 정확히 ''i''개의 좌표에서 값이 다를 경우 ''i'' 번째 연관 집합(i-th associate)이라고 한다. 예를 들어, ''x'' = (1,0,1,1), ''y'' = (1,1,1,1), ''z'' = (0,0,1,1)인 경우, ''H''(4,2)에서 ''x''와 ''y''는 1번째 연관 집합이고(''y''는 ''x''와 두 번째 좌표만 다르므로), ''x''와 ''z''는 1번째 연관 집합이며(''z''는 ''x''와 첫 번째 좌표만 다르므로), ''y''와 ''z''는 2번째 연관 집합이다(''z''는 ''y''와 첫 번째, 두 번째 좌표가 다르므로).
특히, F=\{0,1\}인 이진 벡터 공간에서, 주어진 해밍 무게(벡터에서 1의 개수)를 갖는 벡터들만을 대상으로 한 해밍 결합 도식의 부분 결합 도식을 '''존슨 결합 도식'''이라고 한다.
'''존슨 도식'''(Johnson scheme), ''J''(''v'', ''k'')는 다음과 같이 정의된다. ''S''를 ''v''개의 원소를 가진 집합이라고 하자. 도식 ''J''(''v'', ''k'')의 점은 ''S''의 ''k''개 원소를 가진 부분 집합 \binom{v}{k}개이다. ''S''의 두 개의 ''k''원소 부분 집합 ''A'', ''B''는 그들의 교집합의 크기가 ''k'' − ''i''일 때 ''i'' 번째 연관 집합이다.
'결합 도식'이라는 용어는 1952년에 처음 사용되었지만, 그 개념은 이미 1939년 라지 찬드라 보스와 K. R. 네어(K. R. Nair|영어)의 연구에서 나타났다.[9] 이들은 통계학자들이 '부분 균형 불완전 블록 설계'(PBIBDs)라고 부르는 것을 연구하는 과정에서 관련 개념을 다루었다.
1952년, 라지 찬드라 보스와 T. 시마모토(T. Shimamoto|영어)는 블록 설계 이론에 대한 응용을 위해 '결합 도식'(association scheme|영어)이라는 용어를 공식적으로 도입했다.[18] 당시 이 용어는 오늘날의 대칭 결합 대수를 의미했다.
1959년에는 라지 찬드라 보스와 데일 마시 메스너(Dale Marsh Mesner|영어)가 보스-메스너 대수를 도입하면서 결합 도식 이론은 대수학 분야에서도 중요한 연구 주제로 부상했다.[19][9]
이후 1970년, 도널드 고든 히그먼(Donald Gordon Higman|영어, 1928~2006)은 군론에서의 응용을 목적으로 결합 도식과 동치인 개념을 '일관 구조'(coherent configuration|영어)라는 이름으로 소개했다.[20]
결합 도식 이론 발전에 중요한 기여를 한 인물 중 한 명은 P. 델사르트(P. Delsarte|영어)이다. 그는 1973년 발표한 논문을 통해 결합 도식이 코딩 이론 및 설계 이론과 밀접한 관련이 있음을 밝혀내고 이를 이론적으로 활용하는 기반을 마련했다.[10] 이후 D. G. 히그먼의 일관 구조 연구와 B. 바이스페일러의 거리 정규 그래프 연구 등을 통해 결합 도식 이론은 더욱 일반화되었다.[10]
부호 이론에서 결합 도식 이론은 주로 부호의 해밍 거리와 관련된 문제를 다루는 데 활용된다. 선형 계획법은 결합 도식 이론을 이용하여 주어진 최소 해밍 거리를 갖는 부호의 크기에 대한 상한선을 구하거나, 주어진 강도를 갖는 T-설계의 크기에 대한 하한선을 구하는 데 사용된다. 특히, 결합 도식이 특정 다항식 속성을 만족할 때 가장 구체적인 결과를 얻을 수 있으며, 이는 직교 다항식 분야와 깊은 관련이 있다. 이러한 다항식 유형의 결합 도식을 통해 부호와 T-설계에 대한 몇 가지 보편적인 경계값을 유도할 수 있다.
고전적인 부호 이론에서는 해밍 도식의 부호를 분석하기 위해 맥윌리엄스 변환(MacWilliams transform)을 사용하는데, 이 변환은 크라프추크 다항식이라고 알려진 직교 다항식군과 관련이 있다. 이 크라프추크 다항식은 해밍 도식의 거리 관계 행렬의 고유값을 제공한다.
참조
[1]
harvnb
[2]
harvnb
[3]
harvnb
[4]
harvnb
[5]
harvnb
[6]
harvnb
[7]
harvnb
[8]
harvnb
[9]
harvnb
[10]
harvnb
[11]
harvnb
[12]
서적
Association schemes: designed experiments, algebra and combinatorics
http://www.maths.qmu[...]
Cambridge University Press
[13]
서적
Theory of association schemes
Springer-Verlag
[14]
저널
Association schemes and coding theory
http://www.keldysh.r[...]
1998-10
[15]
저널
Introduction to association schemes
https://www.emis.de/[...]
1991
[16]
저널
Duality in coherent configurations
http://www.mat.univi[...]
1989-03
[17]
서적
Groups, combinatorics and geometry. Durham 2001
World Scientific
[18]
저널
Classification and analysis of partially balanced incomplete block designs with two associate classes
https://archive.org/[...] [19]
저널
On linear associative algebras corresponding to association schemes of partially balanced designs
https://archive.org/[...] [20]
저널
Coherent configurations Ⅰ
http://www.numdam.or[...]
1970
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.