합성열

추상대수학에서 합성열(合成列, 영어: composition series)은 군이나 가군을 보다 단순한 부분들로 분해하는 방법 중 하나이다. 합성열은 존재하지 않을 수도 있고, 존재한다 해도 유일하지 않을 수 있다. 그러나 카미유 조르당과 오토 횔더의 이름을 딴 조르당-횔더 정리(영어: Jordan–Hölder theorem)에 따르면 합성열에 나타나는 몫군이나 몫가군들의 동형류와 각각의 동형류가 나타나는 횟수는 유일하게 결정된다. 단, 합성열 안에서 각 동형류가 나타나는 순서는 달라질 수 있다. 이는 슈라이어 정리를 통해 보일 수 있다. 조르당-횔더 정리는 초한 오름차순 합성열에 대해서도 성립하지만, 초한 내림차순 합성열에 대해서는 성립하지 않는다. (Birkhoff 1934) harv error: 대상 없음: CITEREFBirkhoff1934 (help) 합성열과 비슷한 개념으로 주합성열(영어: principal series, chief series)이 있다. 합성열은 극대 부분정규열인 데 비해, 주합성열은 극대 정규열이다. (모든 정규열은 부분정규열이지만, 주합성열이 합성열일 필요는 없다.) 작용소군의 개념을 사용하면 군과 가군의 합성열 및 군의 주합성열을 통일되게 기술할 수 있다. 모노이드 Ω {\displaystyle \Omega } 위의 작용소군 Ω G {\displaystyle _{\Omega }G} 의 부분정규열(영어: subnormal series)은 다음 두 조건을 만족시키는, G {\displaystyle G} 의 부분 작용소군들의 열 1 = G 0 ⊲ G 1 ⊲ G 2 ⊲ ⋯ ⊲ G n = G {\displaystyle 1=G_{0}\vartriangleleft G_{1}\vartriangleleft G_{2}\vartriangleleft \cdots \vartriangleleft G_{n}=G} 이다. 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 는 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 부분 작용소군이다. 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 는 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 정규 부분군이다 ( G i ⊲ G i + 1 {\displaystyle G_{i}\vartriangleleft G_{i+1}} ). 부분정규열에 대하여 다음 세 조건이 서로 동치이며, 이를 만족시키는 부분정규열을 합성열이라고 한다. 몫 작용소군 G i + 1 / G i {\displaystyle G_{i+1}/G_{i}} 들은 단순 작용소군(=자명군과 스스로를 제외한 정규 부분 작용소군이 없는 비자명 작용소군)이다. 이 몫군들을 합성인자(영어: composition factor)라고 부른다. 모든 i {\displaystyle i} 에 대하여, G i ≠ G i + 1 {\displaystyle G_{i}\neq G_{i+1}} 이며, G i ⊲ H ⊲ G i + 1 {\displaystyle G_{i}\vartriangleleft H\vartriangleleft G_{i+1}} 인 부분 작용소군 H ≠ G i , G i + 1 {\displaystyle H\neq G_{i},G_{i+1}} 가 존재하지 않는다. 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 는 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 극대 정규 부분 작용소군이다. 즉, 합성열은 더 큰 부분정규열의 일부가 아닌 부분정규열이다. 군 G {\displaystyle G} 위에는 다음과 같은 두 작용소군 구조를 부여할 수 있다. 자명 모노이드 Ω = 1 {\displaystyle \Omega =1} 의 자명한 작용. 이 작용소군 구조에 대한 부분정규열과 합성열은 군 G {\displaystyle G} 의 부분정규열과 합성열이다. 내부 자기 동형군 Ω = Inn ⁡ ( G ) {\displaystyle \Omega =\operatorname {Inn} (G)} 의 작용. 이 작용소군의 부분정규열을 군 G {\displaystyle G} 의 정규열(영어: normal series)이라고 하며, 이 작용소군의 합성열을 군 G {\displaystyle G} 의 주합성열이라고 한다. 즉, 군 G {\displaystyle G} 의 부분군의 열 1 = G 0 ⊲ G 1 ⊲ G 2 ⊲ ⋯ ⊲ G n = G {\displaystyle 1=G_{0}\vartriangleleft G_{1}\vartriangleleft G_{2}\vartriangleleft \cdots \vartriangleleft G_{n}=G} 에 대하여, 만약 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 가 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 정규 부분군이라면, 이 부분군의 열을 부분정규열이라고 한다. 만약 부분정규열이며, 몫군 G i + 1 / G i {\displaystyle G_{i+1}/G_{i}} 들이 단순군이라면 (즉, G i ≠ G i + 1 {\displaystyle G_{i}\neq G_{i+1}} 이며, G i {\displaystyle G_{i}} 를 포함하는 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 정규 부분군이 G i {\displaystyle G_{i}} 와 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 밖에 없다면), 이 부분군의 열을 합성열이라고 한다. 만약 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 가 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군이라면, 이 부분군의 열을 정규열이라고 한다. 만약 정규열이며, 몫군 G i + 1 / G i {\displaystyle G_{i+1}/G_{i}} 들이 G / G i {\displaystyle G/G_{i}} 의 극소 정규 부분군이라면 (즉, G i ≠ G i + 1 {\displaystyle G_{i}\neq G_{i+1}} 이며, G i {\displaystyle G_{i}} 와 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 사이에 G {\displaystyle G} 의 정규 부분군이 G i {\displaystyle G_{i}} 와 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 밖에 없다면), 이 부분군의 열을 주합성열이라고 한다. 따라서, 주합성열은 더 큰 정규열에 포함되지 않는 정규열이다. 아벨 군의 경우, 모든 부분군이 정규 부분군이므로, 부분정규열과 정규열의 개념이 일치하며, 합성열과 주합성열 역시 같은 개념이다. 왼쪽 가군은 그 환의 작용을 갖춘 작용소군으로 여길 수 있다. 이 경우, 부분 작용소군·정규 부분 작용소군·부분 가군의 개념이 일치한다. 따라서, 환 R {\displaystyle R} 위의 왼쪽 가군 R M {\displaystyle _{R}M} 의 부분정규열은 단순히 부분 가군의 열 0 = M 0 ⊂ M 1 ⊂ M 2 ⊂ ⋯ ⊂ M n = M {\displaystyle 0=M_{0}\subset M_{1}\subset M_{2}\subset \cdots \subset M_{n}=M} 이며, 모든 몫가군 M i + 1 / M i {\displaystyle M_{i+1}/M_{i}} 가 단순 가군일 때 이 열은 합성열이다. 임의의 모노이드 Ω {\displaystyle \Omega } 및 Ω {\displaystyle \Omega } -작용소군 Ω G {\displaystyle _{\Omega }G} 에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이다. G {\displaystyle G} 는 합성열을 갖는다. G {\displaystyle G} 의 부분정규 부분 작용소군의 (포함 관계에 의한) 부분 순서 집합은 오름 사슬 조건과 내림 사슬 조건을 만족한다. 다음 두 조건이 성립한다. 임의의 G {\displaystyle G} 의 부분 작용소군의 열 G 0 ⊲ G 1 ⊲ ⋯ {\displaystyle G_{0}\vartriangleleft G_{1}\vartriangleleft \cdots } 에 대하여, 만약 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 가 G i + 1 {\displaystyle G_{i+1}} 의 정규 부분군이라면, G n = G n + 1 = G n + 2 = ⋯ {\displaystyle G_{n}=G_{n+1}=G_{n+2}=\cdots } 인 n ∈ N {\displaystyle n\in \mathbb {N} } 이 존재한다. 임의의 G {\displaystyle G} 의 부분 작용소군의 열 G 0 ⊳ G 1 ⊳ ⋯ {\displaystyle G_{0}\vartriangleright G_{1}\vartriangleright \cdots } 에 대하여, 만약 모든 G i {\displaystyle G_{i}} 가 G i − 1 {\displaystyle G_{i-1}} 의 정규 부분군이라면, G n = G n + 1 = G n + 2 = ⋯ {\displaystyle G_{n}=G_{n+1}=G_{n+2}=\cdots } 인 n ∈ N {\displaystyle n\in \mathbb {N} } 이 존재한다. 특히, 모든 유한군은 합성열을 갖는다. 무한군은 합성열을 갖지 않을 수 있다. 예컨대 Z {\displaystyle \mathbb {Z} } 는 합성열이 없다. 조르당-횔더 정리에 따르면, 임의의 작용소군의 두 합성열은 ‘동형’이다. 즉, 모노이드 Ω {\displaystyle \Omega } 및 Ω {\displaystyle \Omega } -작용소군 Ω G {\displaystyle _{\Omega }G} 및 G {\displaystyle G} 의 두 합성열 1 = G 0 ⊲ G 1 ⊲ ⋯ ⊲ G m = G {\displaystyle 1=G_{0}\vartriangleleft G_{1}\vartriangleleft \cdots \vartriangleleft G_{m}=G} 1 = H 0 ⊲ H 1 ⊲ ⋯ ⊲ H n = G {\displaystyle 1=H_{0}\vartriangleleft H_{1}\vartriangleleft \cdots \vartriangleleft H_{n}=G} 이 주어졌을 때, 다음이 성립한다. m = n {\displaystyle m=n} 모든 i {\displaystyle i} 에 대하여 G i {\displaystyle G_{i}} 와 H σ ( i ) {\displaystyle H_{\sigma (i)}} 가 동형이 되는 { 1 , … , n } {\displaystyle \{1,\dots ,n\}} 의 순열 σ {\displaystyle \sigma } 가 존재한다. 증명 (조르당-횔더 정리): 슈라이어 정리에 의해 두 합성열은 동형인 세분을 갖는다. 그러나 합성열의 몫군은 모두 단순 작용소군이므로 어떠한 합성열도 더 이상의 세분을 갖지 않는다. 따라서 임의의 두 합성열은 동형이다. 슈라이어 정리 Birkhoff, Garrett (1934), “Transfinite subgroup series”, 《Bulletin of the American Mathematical Society》 40 (12): 847–850, doi:10.1090/S0002-9904-1934-05982-2  Baumslag, Benjamin (2006), “A simple way of proving the Jordan-Hölder-Schreier theorem”, 《American Mathematical Monthly》 113 (10): 933–935, doi:10.2307/27642092  Bourbaki, N. (1974), 《Algebra》, Hermann, Paris; Addison-Wesley Publishing Co., Reading Mass.  Isaacs, I. Martin (1994), 《Algebra: A Graduate Course》, Brooks/Cole, ISBN 978-0-534-19002-6  Kashiwara, Masaki; Schapira, Pierre (2006), 《Categories and sheaves》