결합 도식
틀:위키데이터 속성 추적 조합론에서 결합 도식(結合圖式, 틀:Llang) 또는 일관 구조(一貫構造, 틀:Llang)는 어떤 특별한 조건을 만족시키는 일련의 이항 관계들이 주어진 유한 집합이며, 변 색칠이 주어진 완전 그래프로도 간주될 수 있다.[1][2][3][4] 주어진 결합 도식으로부터 그 구조를 나타내는 결합 대수인 보스-메스너 대수(बसु-Mesner代數, 틀:Llang)가 존재한다.
정의
결합 도식의 개념은 여러 가지로 정의될 수 있으나, 이 정의들은 모두 서로 동치이다.
조합론적 정의
결합 도식 은 다음과 같은 데이터로 주어진다.[3]틀:Rp[1]틀:Rp
이는 다음 조건들을 만족시켜야 한다.
여기서
- 에 대하여, 는 를 뜻한다.
- 는 의 반대 이항 관계이다.
흔히, 의 원소는 으로 표기되며, 이 경우 이다. 또한,
는 결합 도식의 구조 상수(構造常數, 틀:Llang)라고 한다.
행렬을 통한 정의
결합 도식 은 다음과 같은 데이터로 주어진다.[1]틀:Rp
이는 다음 조건들을 만족시켜야 한다.
- ㉠ 는 모든 성분이 1인 정사각 행렬이다.
- ㉡ 인 가 존재한다.
- ㉢ .
- ㉣ 임의의 에 대하여,
- ㉤ 임의의 에 대하여, 그 곱 는 의 원소들의 자연수 계수 선형 결합이다. 즉, 각 에 대하여, 인 자연수 가 존재한다.
이 두 정의는 서로 동치이다. 즉, 두 정의 사이를 번역하려면, 각 이항 관계 를 대신 정사각 행렬
로 치환하면 된다.
기하학적 정의
결합 도식의 개념은 거리 공간과 유사하게 정의될 수도 있다.[3]틀:Rp
결합 도식 은 다음과 같은 데이터로 주어진다.
이는 다음 조건들을 만족시켜야 한다.
이 정의 역시 나머지 두 정의와 서로 동치이다. 즉, 각 에 대하여 이항 관계
를 대응시키면 된다.
부분 결합 도식
같은 집합 위의 두 결합 도식 및 에 대하여, 만약 이라면, 를 의 부분 결합 도식(部分結合圖式, 틀:Llang)이라고 한다.
결합 도식 준동형
다음이 주어졌다고 하자.
그렇다면, 결합 도식 사상(틀:Llang) 은 다음과 같은 데이터로 구성된다.[2]틀:Rp
- 함수
- 함수
이는 다음 조건을 만족시켜야 한다.
- 임의의 및 에 대하여, 만약 라면, 이다.
이는 사실 이항 관계가 주어진 구조 사이의 준동형의 특수한 경우이다.
종류
결합 도식 에 대하여 다음 조건들이 서로 동치이며, 이를 만족시키는 결합 도식을 대칭 결합 도식(對稱結合圖式, 틀:Llang)이라고 한다.[3]틀:Rp
결합 도식 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이며, 이를 만족시키는 결합 도식을 가환 결합 도식(可換結合圖式,틀:Llang)이라고 한다.
- 그 보스-메스너 대수가 가환환이다.
- 조합론적 정의에서, 임의의 및 에 대하여,
- 행렬을 통한 정의 에서, 임의의 에 대하여 이다.
- 기하학적 정의 에서, 임의의 에 대하여, 가 되는 자기 전단사 함수 가 존재한다.
결합 도식 이 다음 조건을 만족시킨다면, 균등 결합 도식(均等結合圖式, 틀:Llang)이라고 한다.
- 조합론적 정의 에서, 이다.
- 행렬을 통한 정의 에서, 이다.
- 기하학적 정의 에서, 이다.
다음과 같은 포함 관계가 성립한다.
- 대칭 결합 도식 ⊊ 가환 결합 도식 ⊊ 균등 결합 도식 ⊊ 결합 도식
연산
올
결합 도식 이 주어졌을 때, 위에 다음과 같은 동치 관계를 정의할 수 있다.
이 동치 관계에 대한 동치류를 의 올(틀:Llang)이라고 하자. 올들로 구성된 집합의 분할을 로 표기할 때, 다음이 성립한다.
증명:
이에 따라, 결합 도식 의 임의의 올 이 주어졌을 때,
는 균등 결합 도식을 이룬다.
직접곱
유한 개의 결합 도식
이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 곱집합
위에 이항 관계
를 줄 수 있다. 그렇다면, 는 결합 도식을 이루며, 이를 의 직접곱(直接곱, 틀:Llang)이라고 한다.[2]틀:Rp
성질
구조 상수
임의의 결합 도식 의 구조 상수들 은 다음을 만족시킨다.
만약
일 때, 다음이 성립한다.
균등 결합 도식 의 구조 상수들 은 다음을 만족시킨다.[1]틀:Rp
(여기서 는 크로네커 델타이다.)
대칭 결합 도식에 대응되는 변 색칠
대칭 결합 도식 이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 의 원소를 꼭짓점들로 하는 완전 그래프 위에, 의 원소를 색으로 하는 변 색칠 을 정의할 수 있다.
이에 따라, 대칭 결합 도식은 특별한 변 색칠이 주어진 유한 완전 그래프로 여겨질 수 있다.[1]틀:Rp
보스-메스너 대수
(행렬을 통한 정의의) 결합 도식 이 주어졌을 때, 의 선형 생성
은 정수 계수 결합 대수를 이룬다. 이를 에 대응하는 보스-메스너 대수라고 한다 (흔히, 정수 계수 대신 실수나 복소수 계수가 사용된다).[3]틀:Rp
에르미트 수반에 대하여 닫혀 있는 복소수 행렬 결합 대수이므로, 복소수 계수 보스-메스너 대수는 항상 반단순 대수이다.
아르틴-웨더번 정리에 따라서, 복소수 계수 보스-메스너 계수는 다음과 같은 꼴로 유일하게 표현된다.
이에 따라, 위 분해에 등장하는 멱등원
들을 정의할 수 있으며, 이들은
를 만족시킨다 (는 크로네커 델타). 또한, 편의상
로 놓는다. 여기서 는 모든 성분이 1인 정사각 행렬(즉, 아다마르 곱의 항등원)이다. 이는 결합 도식의 공리에 따라 보스-메스너 대수의 원소이며, 0이 아닌 고윳값이 1개 밖에 없는 멱영원이므로 위 분해에 항상 등장한다.
특히, 를 로 전개하였을 때의 계수
를 정의할 수 있다.
가환 결합 도식의 쌍대성
가환 결합 도식 의 경우, 최소 멱등원의 수는 와 같으며, 멱영원들 은 보스-메스너 대수 의 기저를 이룬다. 이에 따라, 다음을 정의할 수 있다.
또한, 들은 모두 아다마르 곱에 대하여 닫혀 있으므로, 들의 아다마르 곱에 대한 구조 상수
를 정의할 수 있다. (아다마르 곱은 교환 법칙을 따르므로 이다.)
이에 따라, 다음과 같은 쌍대성이 존재한다.
| 이항 연산 | 아다마르 곱 | 행렬의 곱 |
|---|---|---|
| 기저 | ||
| 기저의 직교성 | ||
| 멱등원 조건 | 의 모든 성분은 0 또는 1 (아다마르 곱의 멱등원) | 의 모든 고윳값은 0 또는 1 (행렬곱의 멱등원) |
| 항등원 | ||
| 기저 원소의 쌍대성 | (각 성분의 복소켤레) | |
| 기저의 합 | ||
| 차수 | ||
| 차수의 합 | ||
| 구조 상수 | ||
| 기저 변환 |
이 표에서, 배경색이 노란 칸은 가환 결합 도식일 경우에만 정의되는 것이다.
이에 따라, 만약 두 결합 도식 , 의 복소수 계수 보스-메스너 대수 , 가 각각
라면, 서로 쌍대(틀:Llang)라고 한다. 즉, 반선형 변환(틀:Llang)
를 만족시킬 경우, 이들이 서로 쌍대라고 한다.
아다마르 곱은 항상 교환 법칙을 따르므로, 쌍대성은 오직 두 가환 결합 도식 사이에만 존재할 수 있다.[5]
특히, 해밍 결합 도식은 스스로의 쌍대이다.[3]틀:Rp
예
다음은 인 대칭 결합 도식의 한 예이다. 여기서 이다.
A B C D E F A 0 1 1 2 3 3 B 1 0 1 3 2 3 C 1 1 0 3 3 2 D 2 3 3 0 1 1 E 3 2 3 1 0 1 F 3 3 2 1 1 0
그 구조 상수는 다음과 같다.
여기서 가 수록되었다면 는 생략하였으며, 수록되지 않은 구조 상수는 모두 0이다.
자명한 결합 도식
크기가 2 이상인 임의의 유한 집합 위에
을 정의하면, 는 결합 도식을 이루며, 이를 자명한 결합 도식(自明-結合圖式, 틀:Llang)이라고 한다.[6]틀:Rp 그 구조 상수는 다음과 같다.
이는 사실 인 해밍 결합 도식과 같다.
이산 결합 도식
임의의 유한 집합 위에,
를 정의하면, 역시 결합 도식을 이룬다. 이를 이산 결합 도식(離散結合圖式, 틀:Llang)이라고 한다.[6]틀:Rp 그러나 일 경우 이는 균등 결합 도식이 아니다.
작은 결합 도식
크기 1의 결합 도식은 유일하며, 이는 대칭 결합 도식이다.
| A | |
|---|---|
| A | 0 |
크기 2의 결합 도식은 다음 두 가지가 있다.
| A | B | |
|---|---|---|
| A | 0 | 1 |
| B | 1 | 0 |
| A | B | |
|---|---|---|
| A | 0 | 2 |
| B | 3 | 1 |
(가)는 자명한 결합 도식이며, (나)는 이산 결합 도식이다. (가)는 대칭 결합 도식이지만, (나)는 균등 결합 도식이 아니다.
주어진 집합 위의, 특별한 조건을 만족시키는 결합 도식의 수는 다음과 같다.[6]틀:Rp
| 균등 결합 도식의 수 틀:OEIS |
대칭 결합 도식의 수 | |
|---|---|---|
| 1 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 1 |
| 3 | 2 | 1 |
| 4 | 4 | 3 |
| 5 | 3 | 2 |
| 6 | 8 | 4 |
| 7 | 4 | 2 |
| 8 | 21 | 10 |
| 9 | 12 | 6 |
| 10 | 13 | 8 |
| 11 | 4 | 2 |
| 12 | 59 | 21 |
해밍 결합 도식과 존슨 결합 도식
틀:본문 틀:본문 임의의 곱집합 위에, 두 벡터 사이의 해밍 거리가 인 것을 각각 이항 관계로 삼으면, 이는 결합 도식을 이룬다. 이를 해밍 결합 도식이라고 한다.
특히, 일 때, 주어진 해밍 무게의 벡터들만을 취한 부분 결합 도식을 존슨 결합 도식이라고 한다.
정추이적 작용
유한군 의, 유한 집합 위의 왼쪽 정추이적 작용이 주어졌다고 하자. (특히, 이다.) 그렇다면,
를 정의하면, 는 결합 도식을 이루며, 그 구조 상수는
이다.
이에 대응하는 보스-메스너 대수는 군환
과 동형이다.
또한, 에 대응하는 결합 도식이 가환 결합 도식일 필요 충분 조건은 가 아벨 군인 것이다.
일반적 군 작용
유한군 의, 유한 집합 위의 왼쪽 작용이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 는 위에 다음과 같이 작용한다.
그렇다면, 의 작용에 대한 궤도들은 의 분할 을 정의한다.
이 경우, 는 결합 도식을 이룬다.[3]틀:Rp 또한, 이 결합 도식이 각종 조건을 만족시킬 필요 충분 조건은 다음과 같다.
| 결합 도식 | 군의 작용 |
|---|---|
| 올 | 위의 -작용의 궤도 |
| 균등 결합 도식 | 가 추이적 작용 |
| 대칭 결합 도식 | 임의의 에 대하여, 가 되는 가 존재 |
| 자명 결합 도식 | 가 2-추이적 작용 |
| 이산 결합 도식 | 가 자명한 작용 (즉, ) |
역사
1952년에 라지 찬드라 보스와 시마모토(T. Shimamoto)가 블록 설계의 이론에 대한 응용을 위해 결합 도식의 개념 및 용어를 도입하였다.[7] 보스와 시마모토의 논문에서, “결합 도식”(틀:Llang)이라는 용어는 대칭 결합 대수를 뜻했다.
1959년에 라지 찬드라 보스와 데일 마시 메스너(틀:Llang)는 보스-메스너 대수를 도입하였다.[8]
이후 도널드 고든 히그먼(틀:Llang, 1928~2006)이 1970년에 군론에서의 응용을 위하여 본 문서의 결합 도식과 동치인 개념을 도입하였으며, 히그먼은 이 개념을 “일관 구조”(틀:Llang)라고 불렀다.[9]틀:Rp