자유군

군론에서 자유군(自由群, 영어: free group)은 그 아무런 관계를 갖지 않는 표시를 가질 수 있는 군이다. 즉, 군의 대수 구조 다양체의 자유 대수이다.

정의

자유군은 군의 구체적 범주 ${\displaystyle \operatorname {Grp} \to \operatorname {Set} }$의 자유 대상이다. 즉, 군의 범주에서 집합의 범주로 가는 망각 함자

${\displaystyle \operatorname {Forget} \colon \operatorname {Grp} \to \operatorname {Set} }$

는 왼쪽 수반 함자

${\displaystyle \langle -\rangle \colon \operatorname {Set} \to \operatorname {Grp} }$

${\displaystyle \langle -\rangle \dashv \operatorname {Forget} }$

를 가지며, 집합 ${\displaystyle S}$로부터 생성되는 자유군 ${\displaystyle \langle S\rangle }$은 함자 ${\displaystyle \langle -\rangle }$에 대한 상이다.

구성

집합 ${\displaystyle S}$로부터 생성되는 자유군은 구체적으로 다음과 같이 구성할 수 있다. ${\displaystyle S}$의 원소들을 형식적 기호로 생각하고, 기호들의 집합 ${\displaystyle S^{-1}=\{s^{-1}\colon s\in S\}}$를 생각하자. 그렇다면, 알파벳 ${\displaystyle S\sqcup S^{-1}}$으로 구성되는 문자열 ${\displaystyle \sigma \in (S\sqcup S^{-1})^{*}}$을 생각할 수 있다 (${\displaystyle ^{*}}$는 클레이니 스타).

문자열 ${\displaystyle \sigma \in (S\sqcup S^{-1})^{*}}$이

${\displaystyle ss^{-1}\qquad (s\in S)}$

또는

${\displaystyle s^{-1}s\qquad (s\in S)}$

꼴의 부분 문자열을 갖지 않는다면, 이를 기약 문자열(영어: reduced string)이라고 한다. 임의의 문자열 ${\displaystyle \sigma \in (S\sqcup S^{-1})^{*}}$에 대하여, 위의 꼴의 부분 문자열들을 (임의의 순서로) 거듭하여 제거하면 결국 기약 문자열을 얻으며, 이렇게 얻는 기약 문자열은 부분 문자열의 제거 순서와 무관하다. 이를 문자열의 축소화(영어: reduction)라고 하자. 그렇다면, 자유군 ${\displaystyle \langle S\rangle }$은 ${\displaystyle (S\sqcup S^{-1})^{*}}$ 속의 기약 문자열들의 집합으로 구성할 수 있다. 이 경우, 기약 문자열 ${\displaystyle \sigma ,\sigma '\in (S\sqcup S^{-1})^{*}}$에 대하여, 군 이항 연산 ${\displaystyle \sigma \cdot \sigma '}$은 두 문자열의 이음 ${\displaystyle \sigma \sigma '}$의 축소화이다.

이 구성에서 군의 항등원은 길이 0의 문자열이며, 기약 문자열 ${\displaystyle \sigma }$의 역원은 ${\displaystyle \sigma }$의 순서를 거꾸로 한 뒤, ${\displaystyle s\in S}$ 꼴의 알파벳은 ${\displaystyle s^{-1}}$로, ${\displaystyle s^{-1}\in S^{-1}}$ 꼴의 알파벳은 ${\displaystyle s}$로 치환하여 얻는 문자열이다. (이러한 문자열은 항상 기약 문자열이다.)

성질

크기

집합 ${\displaystyle S}$로부터 생성되는 자유군 ${\displaystyle \langle S\rangle }$의 크기는 다음과 같다.

${\displaystyle |\langle S\rangle |={\begin{cases}1&|S|=0\\\aleph _{0}&1\leq |S|\leq \aleph _{0}\\|S|&|S|\geq \aleph _{0}\end{cases}}}$

두 집합 ${\displaystyle S}$, ${\displaystyle T}$에 대하여 다음 두 조건이 동치이다.

• ${\displaystyle |S|=|T|}$
• ${\displaystyle \langle S\rangle }$와 ${\displaystyle \langle T\rangle }$는 군으로서 서로 동형이다.

자유군 ${\displaystyle F}$의 계수는 ${\displaystyle F}$를 생성하는 집합의 크기이다. 이는 위 정리에 따라 유일하다.

군론적 성질

계수가 0인 자유군은 자명군이다. 계수가 1인 자유군은 무한 순환군이다. 계수가 2 이상인 자유군은 비아벨 군이다. 정의에 따라, 모든 군은 어떤 자유군의 몫군으로 나타낼 수 있다. 가산 계수의 자유군의 몫군으로 나타내어지는 군을 유한 생성 군(영어: finitely generated group)이라고 한다.

자유군의 아벨화는 자유 아벨 군이다.

부분군

닐센-슈라이어 정리(영어: Nielsen–Schreier theorem)에 따르면, 자유군의 모든 부분군은 자유군이다. 이 정리는 야코브 닐센(덴마크어: Jakob Nielsen, 1890~1959)이 1921년에 유한 생성 부분군에 대하여 증명하였으며,^[1] 오토 슈라이어(독일어: Otto Schreier, 1901~1929)가 1927년 하빌리타치온 논문에서 일반적인 경우에 대하여 증명하였다.^[2] 닐센-슈라이어 정리의 증명은 선택 공리를 필요로 한다. 선택 공리가 성립하지 않으며, 닐센-슈라이어 정리 역시 거짓인 체르멜로-프렝켈 집합론의 모형이 존재한다.

계수가 2개 이상인 자유군은 모든 가산 계수의 자유군을 부분군으로 갖는다.

논리학적 성질

알프레트 타르스키는 1945년 경에 계수가 2 이상인 자유군의 1차 논리 이론은 모두 동형이며, 이는 결정 가능 이론이라고 추측하였다.^[3] 이 두 추측을 증명하는 두 편의 논문이 2006년에 발표되었으나,^[4][5] 이 논문들에 대해서는 아직 논란이 있다.^[6][7]

응용

계수 2의 자유군의 케일리 그래프는 바나흐-타르스키 역설의 증명에 등장한다.

대수적 위상수학에서, 임의의 기수 ${\displaystyle \kappa }$에 대하여, ${\displaystyle \kappa }$개의 원들의 쐐기합 ${\displaystyle \textstyle \bigwedge ^{\kappa }\mathbb {S} ^{1}}$의 기본군은 계수 ${\displaystyle \kappa }$의 자유군이다.

각주

1. Nielsen, Jakob (1921). “Om Regning med ikke-kommutative Faktorer og dens Anvendelse i Gruppeteorien”. 《Matematisk Tidsskrift B》 (덴마크어) 1921: 78–94. JFM 48.0123.03. 
2. Schreier, Otto (1927). “Die Untergruppen der freien Gruppe”. 《Abhandlungen aus dem Mathematischen Seminar der Universität Hamburg》 (독일어) 5: 161–183. doi:10.1007/BF02952517. 
3. Tarski, Alfred; Sinaceur, Hourya (2000년 3월). “Address at the Princeton University Bicentennial Conference on Problems of Mathematics (December 17-19, 1946)”. 《The Bulletin of Symbolic Logic》 (영어) 6 (1): 1–14. doi:10.2307/421074. JSTOR 421074. 
4. Sela, Zlil (2006년 6월). “Diophantine geometry over groups. VI. The elementary theory of a free group”. 《Geometric and Functional Analysis》 (영어) 16 (3): 707–730. doi:10.1007/s00039-006-0565-8. ISSN 1016-443X. MR 2238945. 
5. Kharlampovich, Olga; Myasnikov, Alexei (2006). “Elementary theory of free non-abelian groups” (PDF). 《Journal of Algebra》 (영어) 302 (2): 451–552. doi:10.1016/j.jalgebra.2006.03.033. MR 2293770. 2016년 10월 21일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2016년 1월 1일에 확인함. 
6. Sela, Zlil (2014). “A report on Tarski’s decidability problem: “Elementary theory of free nonabelian groups” by O. Kharlampovich and A. Myasnikov” (영어). arXiv:1401.5711. Bibcode:2014arXiv1401.5711S. 
7. Kharlampovich, Olga; Myasnikov, Alexei (2014). “On Tarski’s decidability Problem: response to Sela’s report” (영어). arXiv:1402.0482. Bibcode:2014arXiv1402.0482K. 

외부 링크

• “Free group”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4. 
• Weisstein, Eric Wolfgang. “Free group”. 《Wolfram MathWorld》 (영어). Wolfram Research. 
• “Free group”. 《nLab》 (영어). 
• “Free group”. 《Groupprops》 (영어). 
• “Finitely generated free group”. 《Groupprops》 (영어). 
• “Locally free group”. 《Groupprops》 (영어). 

같이 보기

• 자유곱
• 자유 아벨 군