대칭군

대칭군이란 군의 일종으로, 어떤 집합 $S$에 대해 $S$에서 $S$로 가는 일대일 대응 함수(bijective function)[1]들을 원소로 갖는 군이다. 자기 자신으로 가는 함수는 원소의 순서를 섞는 것이므로 이 함수를 순열이라고 부른다. 군이론에서 가장 기본이 되는 군이면서 중요한 군이므로 대수학을 공부할 학생이라면 대칭군의 성질을 잘 알아 두도록 하자
모든 군은 치환군의 부분일 뿐

어떤 집합 $A$가 주어졌을 때, 그 집합 $A$의 치환[2]들로 만들어지는 모든 것을 원소로 갖는 군을 대칭군이라 한다.

보다 자세한 대칭군의 성질을 논하자면 다음과 같다.

집합 $A$에서 유도된 대칭군을 $S_A$와 같이 표현한다.[5] 또 $\left|A\right|=n$이면 $S_{n}$으로도 표현하고[6], 이를 "$n$차 대칭군"이라고 한다.

군 문서에서 알 수 있듯이 모든 군은 어떤 수학적 대상의 "대칭 구조"에서 자연스럽게 나온 대상이다.어렵게 생각하지 말자

대칭군은 이 중에서도 가장 기본적인 수학적 대상인 집합에서 유도된 구조이고, 모든 수학적 구조는 집합 위에서 정의되므로카테고리는 생각하지 말자
모든 군이 대칭군의 일부(부분군)으로 표현될 수 있다,

예를 들어서 정사각형에서 유도되는 이면군을 생각해보자
정사각형의 각 꼭짓점에 반시계 방향으로 번호를 붙여 그 배열을 $\left(1,~2,~3,~4\right)$로 표현하면 정사각형을 회전해서 $\left(2,~3,~4,~1\right)$과 같은 배열을 만들 순 있으나 $\left(2,~1,~4,~3\right)$ 같은 배열은 정사각형의 좌우를 뒤집어야만 만들 수 있다.
또한 아무리 뒤집거나 돌려도 $\left(1,~3,~2,~4\right)$와 같은 배열은 만들 수 없다[7]

하지만 $\left(1,~2,~3,~4\right)$를 단순히 점들의 집합으로 본다면 $\left(1,~3,~2,~4\right)$ 같은 것을 포함한 모든 배열이 가능하다.

즉, 모든 이면군은 대칭군의 부분군으로 생각할 수 있는 것이다.

여기서 알 수 있듯이 대칭군은 어떠한 규칙 없이 집합의 원소를 섞는 것으로 만들어진다는 것을 알 수 있다.[8]

일상생활에서는 특별한 규칙 없이 무작위로 섞는 카드 섞기가 대칭군의 성질을 띤다는 것을 알 수 있다.

수학적 대상을 생각한다면 $n$차원 단체(simplex)에서 유도되는 군이 $S_n$, $A_n$임을 알 수 있다.

일반적으론 위에 인수를, 아래에 치환된 결과를 적는 $2$행 표기법을 쓴다.[9]
$\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5\\5 & 1 & 3 & 2 & 4\end{pmatrix}$
그러나 제$1$행에는 반드시 항등치환의 순서가 오기 때문에 치환 함수에서는 종종 제$1$행을 생략하고 교환하는 순서만을 표기한 $1$행 표기법이 쓰이기도 한다. 이때 부동점은 편의상 생략된다.
$\sigma_{1542}=\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}$

어떤 한 치환이 순환이라 함은, 변하는 원소들의 모임이 꼭 하나뿐인 것이다. 예를 들어보자. 위의 예에서 변하는 원소들의 모임은 $\left\{1,~5,~4,~2\right\}$뿐이다. 따라서 순환이다. 그러나. $\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5\\2 & 1 & 3 & 5 & 4\end{pmatrix}$에서 변하는 원소들의 모임은 $\left\{4,~5\right\}$, $\left\{1,~2\right\}$이므로 순환이 아니다.

모든 순환은 $\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}$와 같은 꼴로 표현될 수 있다. 이 표현이 나타내는 치환은, $1 \rightarrow 5$, $5 \rightarrow 4$, $4 \rightarrow 2$, $2 \rightarrow 1$로 바꾸는 치환을 나타낸다. 나머지 원소는 그대로 둔다. 예를 더 들자면, $\begin{pmatrix}2 & 3\end{pmatrix}$은 $2$와 $3$을 맞교환하는 것이다.

이와 같은 표현에서 쓰인 원소의 개수를 순환의 길이라 한다. $\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}$는 길이가 $4$인 순환, $\begin{pmatrix}2 & 3\end{pmatrix}$은 길이가 $2$인 순환이다. 또한, 이렇게 원소가 겹치지 않는 두 순환을 서로소라 한다.
$\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6\\5 & 1 & 6 & 2 & 4 & 3\end{pmatrix}$을 예로, 이 대칭군은 $\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}$와 $\begin{pmatrix}3 & 6\end{pmatrix}$ 두 개의 순환하는 원소를 가지며, 두 순환은 서로소이다.
모든 치환은 서로소인 치환들의 곱으로 표현되며, 위의 예시를 예로 들면 다음과 같다.
$\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6\\5 & 1 & 6 & 2 & 4 & 3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}3 & 6\end{pmatrix}$

$\begin{pmatrix}2 & 3\end{pmatrix}$과 같이 두 원소를 맞교환하는 치환[10]을 호환이라 한다. 모든 치환은 호환들의 곱으로 나타낼 수 있다. 윗 문단에서 예시로 든 $\begin{pmatrix}1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6\\5 & 1 & 6 & 2 & 4 & 3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}\begin{pmatrix}3 & 6\end{pmatrix}$에서 $\begin{pmatrix}3 & 6\end{pmatrix}$는 호환이며, $\begin{pmatrix}1 & 5 & 4 & 2\end{pmatrix}$는 $\begin{pmatrix}1 & 5\end{pmatrix}\begin{pmatrix}4 & 5\end{pmatrix}\begin{pmatrix}2 & 4\end{pmatrix}$로 나타낼 수 있다.
단, 이 표현은 유일하지 않다.[11] 그러나 표현하는 데에 필요한 호환의 개수와 홀짝성은 일정하다. 즉, $3$개의 호환으로 표현되는 치환은 $2$개의 치환으로 나타낼 수 없다. 따라서 치환에 홀짝성을 부여할 수 있고, 홀수 개 호환의 곱으로 표현되면 홀치환, 짝수 개 호환의 곱으로 표현되면 짝치환이라고 한다.

$S_n$에서 짝치환을 꼽으면 군을 이루는데, 이를 교대군이라 하며 $A_n$으로 나타낸다 $n\ge 5$일 때, 단순군이다.

$S_n$에 대해[12],

Group of symmetry / Symmetry group [21]

주로 기하학에서 대칭, 즉 대상을 보존하는 모든 변환들을 모아 놓은 군이다. 보통 생각할 수 있는 유클리드 평면이나 공간에선 대칭은 합동변환이고, 다른 종류의 공간에서는 그 공간 위에서 특수하게 정의된 구조를 보존하는 변환들을 생각하게 된다. 뉘앙스는 약간 다를 수 있겠지만 변환군(transformation group)이라고 지칭되기도 한다.

대칭군의 항등원은 항상 아무 것도 하지 않는 항등변환이 된다. 대칭이 구조를 보존한다면 대칭끼리의 합성이나 역변환도 구조를 보존해야 하므로, 대칭군이 군의 다른 공리들을 만족함도 직관적으로 생각할 수 있다. 군의 개념 자체가 광범위한 대칭을 연구하는 데에서 시작되었으므로, 추상적 정의로서의 군보다도 이 대칭군으로 군을 간주하는 것이 어떻게 보면 더욱 근본적이다. 굳이 따지자면 위의 대칭군도 구조가 전혀 없는 집합에서의 변환군으로 간주할 수도 있다.

예를 들면 정삼각형의 대칭 조작은 0도, 120도, 240도 회전, 그리고 세 중선에 대한 선대칭 3개 총 6개로 이루어져 있다. 이들 6개 조작은 군을 이루고, 그 구조는 (1번 항목의) 대칭군 $S_3$과 동형이다. 비슷하게 정n각형의 대칭군에서 나온 원소 $2n$개 짜리 이면군(dihedral group)을 생각할 수 있다. 만약 평면을 뒤집지 않는 변환들(즉 평행이동과 회전이동의 합성들)만을 생각한다면 정n각형의 대칭군은 순환군 $C_n$이 될 것이다. 공간에서도 정6면체나 정8면체의 회전 대칭군이 $A_4$와 동형이라던가, 정12면체나 정20면체의 회전 대칭군이 $A_5$와 동형이라는[22] 사실은 학부대수학에서 표현론의 도입 예시 중 하나로 종종 써먹을 것이다.

평면의 유한한 도형의 대칭군은 이면군과 순환군 두 종류밖에 없지만, 반복되는 무늬나 격자, 결정 등의 대칭의 경우 무한군이 나올 수 있다. 평면의 이산적 대칭군에 대해 더욱 자세한 것은 대칭 문서를 참고하자. 이산적인 경우 뿐만이 아니라 원의 대칭군 $\mathrm{O}_2$(반사 포함) 혹은 $\mathrm{SO}_2$(미포함)의 경우처럼 연속적인 대칭군도 얼마든지 나올 수 있다.

한편으로는 공간 속의 도형 하나의 대칭에서 벗어나 공간 자체의 대칭을 생각할 수도 있다. 거리가 주어진 공간[23]의 경우 모든 합동변환(즉 등장변환 혹은 등거리사상)들을 모조리 모아놓는데, 유클리드 공간의 경우는 평행이동과 회전/반사 이동들의 합성들을 모두 모은

이 $\mathbb{R}^n$의 대칭군인 유클리드 군(Euclidean group)이 될 것이다. 비유클리드 기하학에서는 구면기하학의 대칭군으로 나오는 $\mathrm{SO}_3$이나 쌍곡기하학의 대칭군인 $\mathrm{PSL}_2$ 등등을 생각할 수도 있다. 거리가 없는 공간이라도 공간에 주어진 구조[24]를 보존하는 대칭군을 생각할 수 있고, 상대성 이론에서 나오는 로런츠 군 등이 이런 예시에 속한다.

현대 기하학에서는 대칭군 전체의 대수학적/기하학적 성질을 탐구해 공간에 대한 성질을 얻어내는 것이 주요 사고방식 중 하나가 되었다. 예로 구면 위에서의 라플라스 방정식의 해인 구면 조화 함수 같은 경우 $\mathrm{SO}_3$의 표현론에서 그 답을 얻어낼 수도 있다. 한편으로는 이 대칭이라는 것도 대다수의 경우 행렬의 군으로 나타낼 수 있으므로, 모든 군은 행렬군의 부분군이다. 어찌 비슷한 말을 위에서 본 거 같다? 물리학자들이 말하는 우주적인 대칭이니 등등의 아무리 추상적인 공간을 생각하려고 해도 결국에는 특정 행렬군들만을 대칭군의 후보로서 연구하면 충분하다는 것을 알려준다. 그게 매우 어려워서 문제지만...