June

군론 (Group Theory)

목차

1. 군(Group)이란 무엇인가?

군(Group)은 연산이 잘 작동하는 집합이다.

예시
정수에서 덧셈: 3 + 5 = 8 → 결과가 정수
정수에서 나눗셈: 3 / 5 = 0.6 → 결과가 정수가 아님

정식 정의

집합 GG와 이항연산 ∗*가 다음 4가지 조건을 만족하면 (G,∗)(G, *)를 군(Group)이라 한다.

조건기호 표현설명
닫힘 (Closure)∀a,b∈G, a∗b∈G\forall a, b \in G,\ a * b \in G연산 결과가 항상 집합 안에 있다
결합법칙 (Associativity)(a∗b)∗c=a∗(b∗c)(a * b) * c = a * (b * c)괄호 위치에 무관하다
항등원 (Identity)∃e∈G\exists e \in G s.t. e∗a=a∗e=ae * a = a * e = a연산해도 변하지 않는 원소가 존재한다
역원 (Inverse)∀a∈G, ∃b\forall a \in G,\ \exists b s.t. a∗b=b∗a=ea * b = b * a = e모든 원소에 대해 항등원을 만드는 원소가 존재한다

2. 예시로 이해하기

2-1. (Z,+)(\mathbb{Z}, +) — 정수와 덧셈

조건확인예시
ClosureO3+5=8∈Z3 + 5 = 8 \in \mathbb{Z}
AssociativityO(1+2)+3=1+(2+3)=6(1+2)+3 = 1+(2+3) = 6
IdentityOe=0e = 0, 왜냐하면 a+0=0+a=aa + 0 = 0 + a = a
InverseOaa의 역원은 −a-a, 왜냐하면 a+(−a)=0a + (-a) = 0

(Z,+)(\mathbb{Z}, +)는 군이다.

2-2. (Z,×)(\mathbb{Z}, \times) — 정수와 곱셈

조건확인이유
ClosureO3×5=15∈Z3 \times 5 = 15 \in \mathbb{Z}
AssociativityO(2×3)×4=2×(3×4)=24(2 \times 3) \times 4 = 2 \times (3 \times 4) = 24
IdentityOe=1e = 1, 왜냐하면 a×1=1×a=aa \times 1 = 1 \times a = a
InverseX22의 역원은? 2×?=1⇒1/2∉Z2 \times {?} = 1 \Rightarrow 1/2 \notin \mathbb{Z}

(Z,×)(\mathbb{Z}, \times)는 군이 아니다.

2-3. (Zn,+)(\mathbb{Z}_n, +) — 모듈러 덧셈 군

Zn={0,1,2,…,n−1},연산: 덧셈 후 mod n\mathbb{Z}_n = \{0, 1, 2, \ldots, n-1\}, \quad \text{연산: 덧셈 후 mod } n

예: Z5={0,1,2,3,4}\mathbb{Z}_5 = \{0, 1, 2, 3, 4\}

조건확인
Closure3+4=7≡2(mod5)∈Z53 + 4 = 7 \equiv 2 \pmod{5} \in \mathbb{Z}_5
Associativity(2+3)+4≡2+(3+4)(mod5)(2+3)+4 \equiv 2+(3+4) \pmod{5}
Identitye=0e = 0
Inverse33의 역원은 22, 왜냐하면 3+2=5≡0(mod5)3 + 2 = 5 \equiv 0 \pmod{5}

2-4. (Zp∗,×)(\mathbb{Z}_p^*, \times) — 모듈러 곱셈 군

p: 소수,Zp∗={1,2,…,p−1}(0 제외)p \text{: 소수}, \quad \mathbb{Z}_p^* = \{1, 2, \ldots, p-1\} \quad (0 \text{ 제외})

예: Z7∗={1,2,3,4,5,6}\mathbb{Z}_7^* = \{1, 2, 3, 4, 5, 6\}

조건확인
Closure3×4=12≡5(mod7)∈Z7∗3 \times 4 = 12 \equiv 5 \pmod{7} \in \mathbb{Z}_7^*
Identitye=1e = 1
Inverse33의 역원은 55, 왜냐하면 3×5=15≡1(mod7)3 \times 5 = 15 \equiv 1 \pmod{7}

각 원소의 역원 (mod 7):

원소역원확인
111×1=11 \times 1 = 1
242×4=8≡12 \times 4 = 8 \equiv 1
353×5=15≡13 \times 5 = 15 \equiv 1
424×2=8≡14 \times 2 = 8 \equiv 1
535×3=15≡15 \times 3 = 15 \equiv 1
666×6=36≡16 \times 6 = 36 \equiv 1
pp가 소수여야 하는 이유
Z6∗={1,2,3,4,5}\mathbb{Z}_6^* = \{1,2,3,4,5\}에서 2×?≡1(mod6)2 \times {?} \equiv 1 \pmod{6}을 만족하는 정수가 존재하지 않는다.

3. 군의 위수 (Order)

3-1. 군의 위수

군 GG의 위수(order)는 GG의 원소 개수이며, ∣G∣|G|로 표기한다.

∣Zp∗∣=p−1|\mathbb{Z}_p^*| = p - 1

3-2. 원소의 위수

원소 aa의 위수는 an=ea^n = e를 만족하는 최소 양의 정수 nn이며, ord(a)\text{ord}(a)로 표기한다.

예:(모듈러 곱셈 군에서) 21=2,22=4,23=8≡1(mod7)⇒ord(2)=3\text{예:(모듈러 곱셈 군에서) } \\2^1 = 2,\quad 2^2 = 4,\quad 2^3 = 8 \equiv 1 \pmod{7} \quad \Rightarrow \quad \text{ord}(2) = 3

또한 a라는 원소 하나만 가지고 ⟨a⟩\langle a \rangle 이라는 부분군을 만들 수 있다.

⟨a⟩={e,a,a2,a3,…,an−1}⟨a⟩=\{{e,a,a^2,a^3,…,a^{n−1}}\}

여기서 n=ord(a)\text n=ord(a) 이다. 왜냐하면:

  • an=ea^n = e 니까 ana^n부터는 다시 e,a,a2,...e, a, a^2, ... 로 순환
  • 그래서 서로 다른 원소는 정확히 {e,a,a2,a3,…,an−1}\{{e,a,a^2,a^3,…,a^{n−1}}\}의 n개

즉:

∣⟨a⟩∣=ord(a)|\langle a \rangle| = \text{ord}(a)

원소의 위수 = 그 원소가 만드는 부분군의 위수

3-3. 라그랑주 정리

정리 서술

정리 (Lagrange's Theorem)
유한군 GG의 부분군 HH에 대해 ∣H∣|H|는 ∣G∣|G|를 나눈다.
∣H∣ ∣ ∣G∣|H| \,\Big|\, |G|

기호 a∣ba \mid b는 "aa가 bb를 나눈다"는 뜻이다. 즉, bb가 aa의 배수임을 나타낸다.

증명 스케치

핵심 아이디어는 잉여류(coset)가 GG를 같은 크기의 조각으로 분할한다는 것이다.

g∈Gg \in G와 부분군 HH에 대해 좌잉여류를 다음과 같이 정의한다.

gH={g∗h∣h∈H}gH = \{g * h \mid h \in H\}

이때 다음 세 성질이 성립한다.

성질내용
크기 동일모든 잉여류의 크기는 ∣H∣|H|와 같다. φ:H→gH, φ(h)=g∗h\varphi: H \to gH,\ \varphi(h) = g * h는 전단사이다.
서로소서로 다른 잉여류는 공통 원소를 갖지 않는다. g1H∩g2H≠∅⇒g1H=g2Hg_1 H \cap g_2 H \neq \emptyset \Rightarrow g_1 H = g_2 H
전체 덮음잉여류들의 합집합은 GG 전체이다. 모든 g∈Gg \in G에 대해 g∈gHg \in gH (왜냐하면 e∈He \in H).

따라서 GG는 크기가 정확히 ∣H∣|H|인 조각들로 완전히 분할되며, 조각의 개수를 kk라 하면:

∣G∣=k⋅∣H∣|G| = k \cdot |H|

여기서 k=[G:H]k = [G : H]를 지표(index)라 하며, 잉여류의 개수이다.

예시: G=Z6, H={0,3}G = \mathbb{Z}_6,\ H = \{0, 3\}

좌잉여류들:

0+H={0,3},1+H={1,4},2+H={2,5}0 + H = \{0, 3\},\quad 1 + H = \{1, 4\},\quad 2 + H = \{2, 5\}

세 잉여류가 Z6\mathbb{Z}_6을 완전히 분할하며 각 크기는 22이다.

∣G∣=6=3⋅2=[G:H]⋅∣H∣|G| = 6 = 3 \cdot 2 = [G : H] \cdot |H|

따름정리 1: 원소의 위수는 군의 위수를 나눈다

a∈Ga \in G에 대해 ⟨a⟩\langle a \rangle는 GG의 부분군이며, 그 크기는 aa의 위수와 같다.

∣⟨a⟩∣=ord(a)|\langle a \rangle| = \text{ord}(a)

라그랑주 정리를 ⟨a⟩≤G\langle a \rangle \leq G에 적용하면:

ord(a)∣∣G∣\text{ord}(a) \mid |G|

예: Z7∗\mathbb{Z}_7^* (∣G∣=6|G| = 6)에서 원소별 위수

aaord(a)\text{ord}(a)66의 약수인가?
11O
23O
36O
43O
56O
62O

모든 위수가 66의 약수 (1,2,3,61, 2, 3, 6) 중 하나이며, 44나 55 같은 값은 나올 수 없다.

따름정리 2: a∣G∣=ea^{|G|} = e

모든 a∈Ga \in G에 대해 ord(a)=d\text{ord}(a) = d라 하면 ∣G∣=dk|G| = dk이므로,

a∣G∣=(ad)k=ek=ea^{|G|} = (a^d)^k = e^k = e

따름정리 3: 페르마의 소정리 (Fermat's Little Theorem)

pp가 소수이고 gcd⁡(a,p)=1\gcd(a, p) = 1이면:

ap−1≡1(modp)a^{p-1} \equiv 1 \pmod{p}

증명: Zp∗\mathbb{Z}_p^*에 따름정리 2를 적용한다. ∣Zp∗∣=p−1|\mathbb{Z}_p^*| = p - 1이므로 바로 성립한다.

따름정리 4: 오일러 정리 (Euler's Theorem)

gcd⁡(a,n)=1\gcd(a, n) = 1이면:

aφ(n)≡1(modn)a^{\varphi(n)} \equiv 1 \pmod{n}

증명: (Z/nZ)∗(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^*에 따름정리 2를 적용한다. ∣(Z/nZ)∗∣=φ(n)|(\mathbb{Z}/n\mathbb{Z})^*| = \varphi(n)이므로 성립한다.

RSA 암호 시스템이 작동하는 수학적 근거가 바로 이 따름정리이다.

따름정리 5: 소수 위수 군은 순환군

∣G∣=p|G| = p가 소수일 때, ee가 아닌 임의의 원소 a∈Ga \in G에 대해 ord(a)∣p\text{ord}(a) \mid p이고 ord(a)≠1\text{ord}(a) \neq 1이므로 ord(a)=p\text{ord}(a) = p이다. 따라서 aa가 GG 전체를 생성하며:

G≅ZpG \cong \mathbb{Z}_p

주의: 역은 성립하지 않는다

d∣∣G∣d \mid |G|라고 해서 위수가 dd인 부분군이 반드시 존재하는 것은 아니다.

반례: 교대군 A4A_4는 ∣A4∣=12|A_4| = 12이지만 위수 66인 부분군이 존재하지 않는다.

단, 다음 경우에는 존재가 보장된다.

조건결론
GG가 유한 아벨군d∣∣G∣d \mid |G|인 모든 dd에 대해 위수 dd인 부분군 존재
dd가 ∣G∣|G|의 소인수위수 dd인 부분군 존재 (코시 정리, Cauchy's Theorem)
d=pkd = p^k가 ∣G∣|G|를 나누는 소수의 거듭제곱위수 pkp^k인 부분군 존재 (실로우 정리, Sylow Theorems)

4. 순환군과 생성원

4-1. 순환군 (Cyclic Group)

하나의 원소로 군의 모든 원소를 생성할 수 있으면 순환군이라 한다.

G=⟨g⟩={e, g, g2, g3, …, gn−1}G = \langle g \rangle = \{e,\ g,\ g^2,\ g^3,\ \ldots,\ g^{n-1}\}

4-2. 생성원 (Generator)

순환군에서 군의 모든 원소를 생성하는 원소를 생성원이라 한다.

판별법: gp−1=1g^{p-1} = 1이고, 그 전에 11이 나오지 않으면 생성원이다.

예: Z7∗\mathbb{Z}_7^*에서 g=3g = 3

31≡3,32≡2,33≡6,34≡4,35≡5,36≡1(mod7)3^1 \equiv 3,\quad 3^2 \equiv 2,\quad 3^3 \equiv 6,\quad 3^4 \equiv 4,\quad 3^5 \equiv 5,\quad 3^6 \equiv 1 \pmod{7}
{31,32,33,34,35,36}={3,2,6,4,5,1}=Z7∗\{3^1, 3^2, 3^3, 3^4, 3^5, 3^6\} = \{3, 2, 6, 4, 5, 1\} = \mathbb{Z}_7^*

4-3. 생성원의 개수

∣Zp∗의 생성원 개수∣=φ(p−1)|\mathbb{Z}_p^*\text{의 생성원 개수}| = \varphi(p-1)

여기서 φ\varphi는 오일러 피 함수(Euler's totient function)이다.

φ(n)=n(1−1p1)(1−1p2)⋯(1−1pk)\varphi(n) = n \left(1 - \frac{1}{p_1}\right)\left(1 - \frac{1}{p_2}\right) \cdots \left(1 - \frac{1}{p_k}\right)

(p1,p2,…,pkp_1, p_2, \ldots, p_k: nn의 서로 다른 소인수)

예:

φ(6)=φ(2×3)=6×12×23=2\varphi(6) = \varphi(2 \times 3) = 6 \times \frac{1}{2} \times \frac{2}{3} = 2

Z7∗={1,2,3,4,5,6}\mathbb{Z}_7^*=\{1,2,3,4,5,6\}

각 원소의 거듭제곱을 확인해 보면:

  • 32≡23^2\equiv 2
  • 33≡63^3\equiv 6
  • 34≡43^4\equiv 4
  • 35≡53^5\equiv 5
  • 36≡1(mod7)3^6\equiv 1 \pmod 7

즉 3은 모든 원소를 만들어내므로 생성원이다.

또 5도 생성원이다:

  • 51≡55^1\equiv 5
  • 52≡45^2\equiv 4
  • 53≡65^3\equiv 6
  • 54≡25^4\equiv 2
  • 55≡35^5\equiv 3
  • 56≡1(mod7)5^6\equiv 1 \pmod 7

반면 2는 21=2,  22=4,  23=12^1=2,\;2^2=4,\;2^3=1 이라서 전체를 만들지 못하므로 생성원이 아니다.

따라서 생성원은 {3,5}\{3,5\}이고, 개수는 2개이다. 이는 φ(6)=2\varphi(6)=2 와 일치한다.

따라서 Z7∗\mathbb{Z}_7^*의 생성원은 {3,5}\{3, 5\}, 총 2개이다.


5. 이산 로그 문제

5-1. 지수 표현

순환군에서 모든 원소는 생성원의 거듭제곱으로 표현된다.

Z7∗=⟨3⟩\mathbb{Z}_7^* = \langle 3 \rangle에서:

원소지수 표현
136=303^6 = 3^0
2323^2
3313^1
4343^4
5353^5
6333^3

5-2. 이산 로그 (Discrete Logarithm)

gx=hg^x = h일 때, xx를 hh의 이산 로그라 한다.

log⁡g(h)=x  ⟺  gx=h\log_g(h) = x \iff g^x = h

예: Z7∗\mathbb{Z}_7^*에서 g=3g = 3

log⁡3(2)=2(32≡2),log⁡3(4)=4(34≡4),log⁡3(5)=5(35≡5)\quad \log_3(2) = 2 \quad (3^2 \equiv 2),\\ \quad \log_3(4) = 4 \quad (3^4 \equiv 4),\\ \quad \log_3(5) = 5 \quad (3^5 \equiv 5)

6. 아벨군 (Abelian Group)

6-1. 정의

군 (G,∗)(G, *)의 4가지 조건에 더해 교환법칙(commutativity)까지 만족하면 아벨군이라 한다.

∀a,b∈G,a∗b=b∗a\forall a, b \in G, \quad a * b = b * a

이름은 노르웨이의 수학자 니엘스 아벨(Niels Abel)에서 유래했다.

6-2. 아벨군과 비아벨군 예시

군아벨군 여부이유
(Z,+)(\mathbb{Z}, +)O정수 덧셈은 교환법칙 성립
(Zn,+)(\mathbb{Z}_n, +)O모듈러 덧셈은 교환법칙 성립
(Zp∗,×)(\mathbb{Z}_p^*, \times)O모듈러 곱셈은 교환법칙 성립
(Rn,+)(\mathbb{R}^n, +)O벡터 덧셈은 교환법칙 성립
모든 순환군Ogi∗gj=gi+j=gj∗gig^i * g^j = g^{i+j} = g^j * g^i
n×nn \times n 가역행렬군 GLn(R)GL_n(\mathbb{R})X (n≥2n \geq 2)행렬 곱셈은 일반적으로 AB≠BAAB \neq BA
대칭군 SnS_n (n≥3n \geq 3)X치환 합성은 순서에 의존

6-3. 비아벨군의 구체적 반례

대칭군 S3S_3에서 σ=(1 2)\sigma = (1\ 2), τ=(1 2 3)\tau = (1\ 2\ 3)으로 두면:

στ=(2 3),τσ=(1 3)\sigma \tau = (2\ 3), \quad \tau \sigma = (1\ 3)

두 결과가 다르므로 S3S_3는 아벨군이 아니다.

6-4. 아벨군의 주요 성질

성질내용
거듭제곱 법칙(ab)n=anbn(ab)^n = a^n b^n (비아벨군에서는 성립하지 않음)
모든 부분군이 정규부분군gH=HggH = Hg가 교환법칙으로 자동 성립
몫군이 항상 정의됨임의 부분군 H≤GH \leq G에 대해 G/HG/H가 군
직적 (Direct Product)에 닫혀 있음아벨군들의 직적은 다시 아벨군

6-5. 아벨군의 덧셈 표기법

아벨군은 관습적으로 덧셈 표기법을 사용한다.

곱셈 표기 (일반 군)덧셈 표기 (아벨군)
a∗ba * ba+ba + b
항등원 ee영원 00
역원 a−1a^{-1}반수 −a-a
ana^nnana
⟨a⟩\langle a \rangleZa\mathbb{Z}a

6-6. 유한 아벨군의 분류 정리

정리 (Fundamental Theorem of Finite Abelian Groups)
모든 유한 아벨군은 소수의 거듭제곱 위수를 갖는 순환군들의 직적(direct product)으로 유일하게 분해된다.
G≅Zp1a1×Zp2a2×⋯×ZpkakG \cong \mathbb{Z}_{p_1^{a_1}} \times \mathbb{Z}_{p_2^{a_2}} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{p_k^{a_k}}

이 정리는 유한 아벨군은 구조적으로 완전히 파악되었음을 의미한다.

예: 위수 1212인 아벨군은 본질적으로 두 가지뿐이다.

Z12≅Z4×Z3,Z2×Z2×Z3\mathbb{Z}_{12} \cong \mathbb{Z}_4 \times \mathbb{Z}_3, \quad \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_3

예: 위수 88인 아벨군은 세 가지이다.

Z8,Z4×Z2,Z2×Z2×Z2\mathbb{Z}_8, \quad \mathbb{Z}_4 \times \mathbb{Z}_2, \quad \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2

6-7. 직적 (Direct Product)

두 군 (G,∗)(G, *), (H,⋅)(H, \cdot)에 대해 직적 G×HG \times H는 다음과 같이 정의된다.

G×H={(g,h)∣g∈G,h∈H}G \times H = \{(g, h) \mid g \in G, h \in H\}

연산: (g1,h1)(g2,h2)=(g1∗g2, h1⋅h2)(g_1, h_1)(g_2, h_2) = (g_1 * g_2,\ h_1 \cdot h_2)

예: Z2×Z3\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_3

원소는

Z2×Z3={(0,0),(0,1),(0,2),(1,0),(1,1),(1,2)}\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_3=\{(0,0),(0,1),(0,2),(1,0),(1,1),(1,2)\}

연산은 성분별 덧셈이다.

예를 들어

(1,2)+(1,1)=(0,0)(1,2)+(1,1)=(0,0) 이다. 왜냐하면

  • 첫째 성분: 1+1≡0(mod2)1+1\equiv 0 \pmod 2
  • 둘째 성분: 2+1≡0(mod3)2+1\equiv 0 \pmod 3

따라서 (1,2)(1,2)의 역원은 (1,1)(1,1)이다.

또 이 군의 위수는

∣Z2×Z3∣=2⋅3=6|\mathbb{Z}_2\times \mathbb{Z}_3|=2\cdot 3=6 이다.

성질:

  • ∣G×H∣=∣G∣⋅∣H∣|G \times H| = |G| \cdot |H|
  • G,HG, H가 아벨군이면 G×HG \times H도 아벨군
  • Zm×Zn≅Zmn\mathbb{Z}_m \times \mathbb{Z}_n \cong \mathbb{Z}_{mn} 이면서 동치는 gcd⁡(m,n)=1\gcd(m, n) = 1 (중국인 나머지 정리, CRT)

6-8. 아벨군이 인 이유가 중요한 개념들

개념아벨군 구조가 주는 이점
환 (Ring), 체 (Field)덧셈 구조가 아벨군이어야 정의 가능
벡터공간덧셈에 대해 아벨군
타원곡선의 점들덧셈에 대해 아벨군 (ECC의 수학적 기초)
호몰로지군, 동치류군대수위상수학에서 공간의 불변량
이산로그 기반 암호Zp∗\mathbb{Z}_p^*가 아벨 순환군이기 때문에 지수 법칙이 성립

6-9. 아벨군과 순환군의 관계

관계내용
순환군 ⇒ 아벨군모든 순환군은 아벨군이다
아벨군 ⇒ 순환군?성립하지 않음. 반례: Z2×Z2\mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2는 아벨군이지만 순환군이 아니다
소수 위수 군반드시 순환군이고 따라서 아벨군

7. 부분군 (Subgroup)

7-1. 정의

군 (G,∗)(G, *)의 부분집합 H⊆GH \subseteq G가 GG의 연산 아래에서 그 자체로 군을 이루면 HH를 GG의 부분군이라 하고, H≤GH \leq G로 표기한다.

7-2. 부분군 판별법

H⊆GH \subseteq G가 부분군이려면 다음을 만족해야 한다.

조건기호 표현
비공집합H≠∅H \neq \emptyset (즉 e∈He \in H)
닫힘∀a,b∈H, a∗b∈H\forall a, b \in H,\ a * b \in H
역원 포함∀a∈H, a−1∈H\forall a \in H,\ a^{-1} \in H
한 줄 판별법
HH가 비어있지 않고, ∀a,b∈H, a∗b−1∈H\forall a, b \in H,\ a * b^{-1} \in H이면 부분군이다.

7-3. 예시

군부분군설명
(Z,+)(\mathbb{Z}, +)(2Z,+)(2\mathbb{Z}, +)짝수 전체 집합
(Z6,+)(\mathbb{Z}_6, +){0,2,4}\{0, 2, 4\}22의 배수
(Z7∗,×)(\mathbb{Z}_7^*, \times){1,2,4}\{1, 2, 4\}22가 생성하는 부분군

7-4. 순환 부분군

원소 a∈Ga \in G에 대해 ⟨a⟩={an∣n∈Z}\langle a \rangle = \{a^n \mid n \in \mathbb{Z}\}를 aa가 생성하는 순환 부분군이라 한다.

∣⟨a⟩∣=ord(a)|\langle a \rangle| = \text{ord}(a)

8. 잉여류와 정규부분군

8-1. 잉여류 (Coset)

H≤GH \leq G이고 g∈Gg \in G일 때, 다음과 같이 정의한다.

종류정의
좌잉여류 (Left coset)gH={g∗h∣h∈H}gH = \{g * h \mid h \in H\}
우잉여류 (Right coset)Hg={h∗g∣h∈H}Hg = \{h * g \mid h \in H\}

예: G=Z6, H={0,3}G = \mathbb{Z}_6,\ H = \{0, 3\}

0+H={0,3},1+H={1,4},2+H={2,5}0 + H = \{0, 3\},\quad 1 + H = \{1, 4\},\quad 2 + H = \{2, 5\}

GG는 잉여류들로 분할된다.

8-2. 라그랑주 정리 (재확인)

H≤GH \leq G일 때, ∣G∣=[G:H]⋅∣H∣|G| = [G : H] \cdot |H|
여기서 [G:H][G : H]는 잉여류의 개수 (지표, index)이다.

8-3. 정규부분군 (Normal Subgroup)

H≤GH \leq G가 모든 g∈Gg \in G에 대해 gH=HggH = Hg를 만족하면 정규부분군이라 하고, H◃GH \triangleleft G로 표기한다.

동치 조건
∀g∈G, ∀h∈H, g∗h∗g−1∈H\forall g \in G,\ \forall h \in H,\ g * h * g^{-1} \in H

아벨군에서는 모든 부분군이 정규부분군이다.


9. 몫군 (Quotient Group)

9-1. 정의

H◃GH \triangleleft G일 때, 잉여류들의 집합에 연산을 정의하면 다시 군이 된다.

G/H={gH∣g∈G}G / H = \{gH \mid g \in G\}

연산:

(aH)∗(bH)=(a∗b)H(aH) * (bH) = (a * b)H

이 군을 몫군이라 한다.

9-2. 성질

∣G/H∣=[G:H]=∣G∣∣H∣|G / H| = [G : H] = \frac{|G|}{|H|}

9-3. 예시

G=Z, H=nZG = \mathbb{Z},\ H = n\mathbb{Z}일 때,

Z/nZ=Zn\mathbb{Z} / n\mathbb{Z} = \mathbb{Z}_n

즉 Zn\mathbb{Z}_n은 정수군을 nn의 배수로 나눈 몫군이다.


10. 군 준동형 (Group Homomorphism)

10-1. 정의

두 군 (G,∗)(G, *), (G′,⋅)(G', \cdot) 사이의 함수 φ:G→G′\varphi: G \to G'가 다음을 만족하면 준동형이다.

∀a,b∈G, φ(a∗b)=φ(a)⋅φ(b)\forall a, b \in G,\ \varphi(a * b) = \varphi(a) \cdot \varphi(b)

10-2. 핵과 상 (Kernel and Image)

개념정의성질
핵 ker⁡(φ)\ker(\varphi){a∈G∣φ(a)=e′}\{a \in G \mid \varphi(a) = e'\}GG의 정규부분군
상 im(φ)\text{im}(\varphi){φ(a)∣a∈G}\{\varphi(a) \mid a \in G\}G′G'의 부분군

10-3. 동형사상 (Isomorphism)

준동형 φ\varphi가 전단사(bijection)이면 동형사상이라 하고, G≅G′G \cong G'로 표기한다. 두 군은 본질적으로 같은 구조를 가진다.

10-4. 이산 로그와의 연결

순환군 Zp∗=⟨g⟩\mathbb{Z}_p^* = \langle g \rangle에서 다음 함수는 동형사상이다.

φ:Zp−1→Zp∗,φ(x)=gx\varphi: \mathbb{Z}_{p-1} \to \mathbb{Z}_p^*,\quad \varphi(x) = g^x

이산 로그 문제는 φ\varphi의 역함수를 계산하는 문제이다.


11. 군의 동형 정리

11-1. 제1 동형 정리 (가장 중요)

준동형 φ:G→G′\varphi: G \to G'에 대해
G/ker⁡(φ)≅im(φ)G / \ker(\varphi) \cong \text{im}(\varphi)

핵으로 나눈 몫군은 상과 동형이다. 군론 전체에서 가장 핵심적인 정리 중 하나이다.

11-2. 제2 동형 정리

H≤GH \leq G, N◃GN \triangleleft G일 때
(HN)/N≅H/(H∩N)(HN) / N \cong H / (H \cap N)

11-3. 제3 동형 정리

N◃GN \triangleleft G, K◃GK \triangleleft G, K⊆NK \subseteq N일 때
(G/K)/(N/K)≅G/N(G / K) / (N / K) \cong G / N

12. 유한 아벨군의 분류 정리

정리 (Fundamental Theorem of Finite Abelian Groups)
모든 유한 아벨군은 소수의 거듭제곱 위수를 갖는 순환군들의 직적으로 유일하게 분해된다.
G≅Zp1a1×Zp2a2×⋯×ZpkakG \cong \mathbb{Z}_{p_1^{a_1}} \times \mathbb{Z}_{p_2^{a_2}} \times \cdots \times \mathbb{Z}_{p_k^{a_k}}

예: 위수 1212의 아벨군은 본질적으로 두 가지뿐이다.

Z12≅Z4×Z3,Z2×Z2×Z3\mathbb{Z}_{12} \cong \mathbb{Z}_4 \times \mathbb{Z}_3, \quad \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_2 \times \mathbb{Z}_3

유한 아벨군은 전부 "분류 완료"되었다는 뜻이다.


13. 환 (Ring)과 체 (Field)

13-1. 환 (Ring)

집합 RR과 두 연산 +,×+, \times가 다음을 만족하면 환이다.

조건설명
(R,+)(R, +)는 아벨군덧셈에 대해 교환 가능한 군
(R,×)(R, \times)는 결합법칙 성립(a×b)×c=a×(b×c)(a \times b) \times c = a \times (b \times c)
분배법칙a×(b+c)=a×b+a×ca \times (b + c) = a \times b + a \times c

예: (Z,+,×)(\mathbb{Z}, +, \times), (Zn,+,×)(\mathbb{Z}_n, +, \times)

13-2. 체 (Field)

환 (F,+,×)(F, +, \times)에서 00을 제외한 모든 원소가 곱셈에 대한 역원을 가지면 체이다.

즉 (F∖{0},×)(F \setminus \{0\}, \times)가 아벨군

예:

체설명
Q,R,C\mathbb{Q}, \mathbb{R}, \mathbb{C}유리수, 실수, 복소수
Zp\mathbb{Z}_p (pp 소수)유한체, Fp\mathbb{F}_p로도 표기
Zp∗\mathbb{Z}_p^*가 군이 되는 이유가 바로 Zp\mathbb{Z}_p가 체이기 때문이다.

13-3. 타원곡선과의 연결

체 Fp\mathbb{F}_p 위에서 정의된 타원곡선의 점들은 아벨군을 이룬다. 이 구조가 타원곡선 암호(ECC)와 zk-SNARK 기반 암호 시스템의 수학적 토대이다.


14. 갈루아 이론 (Galois Theory) 맛보기

14-1. 핵심 아이디어

체의 확장 F⊆EF \subseteq E에 대해, FF를 고정하는 EE의 자기동형사상들의 집합은 군을 이룬다. 이를 갈루아 군 Gal(E/F)\text{Gal}(E/F)이라 한다.

14-2. 갈루아 대응

체의 중간 확장들과 갈루아 군의 부분군들 사이에 일대일 대응이 존재한다.

체의 구조에 대한 문제가 군의 구조에 대한 문제로 환원된다.

14-3. 역사적 의의

갈루아 이론은 다음 문제를 해결했다.

고전 문제결론
55차 이상 방정식의 근의 공식존재하지 않음 (일반적으로 풀리지 않음)
자와 컴퍼스만으로 각의 3등분불가능
원적문제 (원을 정사각형으로)불가능

군론이 순수 수학의 도구로서 왜 중요한지를 보여주는 가장 극적인 예시이다.

Seoul, South Korea

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