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  1. Lagrange's Theorem과 Counting Formular

Lagrange's Theorem과 Counting Formular

Math

지난 내용에서 Group G의 Subgroup H Left Coset을 아래와 같이 정의했다.

aH = {ah | hH}

여기서 어떤 Subgroup의 Left Coset의 개수를 Index of H in G라고 부르고 아래와 같이 표기한다.

[G : H]

예를 들어 Group G를 Symmetric Subgroup S3이며 G = {1, x, x2, y, xy, x2y} 라고 하고, xy가 아래와 같고,

x =
010
001
100
 ,  y =
010
100
001

Subgroup H = {1, xy} 일 때, [G : H] = 3 이다. 물론 G가 무한개의 엘리먼트를 가진다면 Index도 무한대가 된다.

Subgroup H에서 Coset aH으로의 관계는 Bijective 매핑: hah 이다. 따라서 아래 내용이 성립한다.

Coset aH의 엘리먼트 개수는 H의 엘리먼트 개수와 같다.

H의 Coset들의 합집합(Union)은 G가 되며, 각각의 Coset들은 서로 겹치지 않기 때문에 Counting Formula라고 불리는 아래와 같은 공식을 이끌어낼 수 있다.

|G| = |H| [G : H]
(G의 Order) = (H의 Order) × [G : H]

즉, 위의 예에서 G의 Order는 H의 Order가 2이고, H의 Left Coset은 총 3개가 나오므로, 2 × 3 = 6 이 된다.

그리고 위의 공식에서 우변의 두 항 모두가 좌변을 나눌 수 있다는 사실은 굉장히 중요하다. 이 사실을 정리하면 아래와 같은 Lagrange's Theorem이 된다.

Corollary. Lagrange's Theorem:
G를 유한한 Group이라고 하고, HG의 Subgroup이라 하면, H의 Order가 G의 Order를 나눌수 있다.

나눈 값은 [G : H]이다. 앞서 Cyclic Subgruop에서 어떤 엘리먼트 aG의 Ordera에 의해 생성되는 Cyclic Subgroup의 Order라고 했다. 따라서 Lagrange's Theorem은 아래 내용을 내포한다.

Group에서 어떤 엘리먼트의 Order는 그 Group의 Order를 나눌 수 있다.

그리고 이 사실을 바탕으로 아래의 내용을 도출한다.

Corollary. Gp개의 엘리먼트를 갖고 있다고 하고 p는 소수(1과 자기 자신으로 나눌 수 있음)라고 하자. 그리고 Identity가 아닌 엘리먼트 aG가 있다고 하자. 그러면 Ga로 생성되는 Cyclic Group: {1, a, ... , ap-1} 이 된다.

a ≠ 1 이기 때문에 a의 Order는 1 보다 크다. 그리고 위의 정리에 의하여 a의 Order가 |G| = p 를 나눈다. p가 1 또는 자기 자신으로밖에 못 나누기 때문에 a의 Order는 p가 되고, a로 인해 생성되는 Cyclic Subgroup은 Order가 p이므로 이는 G와 같게 되는 것이다.

또한 Order가 소수 p인 Group G와 그 엘리먼트 a로 생성되는 Order가 역시 p인 Cyclic Subgroup은 서로 Isomorphic 한 관계가 된다.

Counting Formula는 Homomorphism 에서도 적용될 수 있다. φ:GG' 을 Homomorphism 매핑이라고 하자. ker φ의 Left Coset은 φ의 Fibres 라고 했다(Congruence Relation & Coset). 이들 Fibres는 매핑된 Image와 Bijective한 관계를 갖는다. 따라서 아래 공식도 성립한다.

[G : ker φ] = | im φ |

Group G의 Subgroup인 ker φ 의 Left Coset 개수는 φ 를 통해 사상된 Image의 엘리먼트 개수와 같다. 이를 Counting Formula에 대입하면 아래 내용을 얻을 수 있다.

| G | = | ker φ | · | im φ |

위의 식은 아래와 같은 방식으로 유도된다.

| G | = | H | · [G : H] ... (1)
| G | = | ker φ | · [G : ker φ] ... (2)
| G | = | ker φ | · | im φ | ... (3)
그리고 두 식 (2)와 (3)을 합치면,
| G | = | ker φ | · | im φ |

즉, | ker φ |나 | im φ |나 모두 | G |를 나눈다. 그리고 im φ는 G'의 Subgroup이기 때문에 | im φ |는 G'도 나눌 수 있다.

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