최근 수정 시각 : 2024-01-01 11:33:16

이항연산

연산
𝐍𝐮𝐦𝐛𝐞𝐫𝐬 𝐚𝐧𝐝 𝐎𝐩𝐞𝐫𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧𝐬
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1. 개요2. 수학적 정의3. 결합법칙4. 항등원5. 역원6. 군(group), 환(ring), 체(field)7. 고등학교 교육과정

1. 개요

/ binary operation

두 개의 항으로부터 결과를 얻어내는 연산. 가장 간단한 예로 덧셈, 곱셈, 지수 등이 있다. 기본적으로 우리가 사용하는 연산은 대부분 이항 연산이다. [math(1+2+3)]은 얼마냐고 물어봤을 때 세 개를 동시에 계산하여 삼항연산(?)을 통해 [math(6)]이 된다고 생각하겠지만, 우선 앞에 두 수를 더해서 [math((1+2)+3)]이 되고 다시 두 수를 더해 [math(3+3)]이 되어 [math(6)]이 되는 것이다. 초등학교를 나온 사람이라면 기본적으로 덧셈이라는 연산에 대해 훈련이 되어 있기 때문에 이 과정을 의식하지 못하는 것뿐이다.

2. 수학적 정의

집합 [math(S)]가 있을 때, [math(S)]에서 닫혀 있는 이항 연산은 다음과 같은 함수를 말한다.
[math(*: S \times S \to S)][1]
[math(S)]의 원소 [math(a)], [math(b)]를 이항연산한 결과를 일반적인 함수처럼 전위표기법을 써서 [math(* \left( a, b \right))]으로 나타낼 수도 있지만, 보통의 이항연산은 중위표기법을 사용해 [math(a * b)]와 같이 많이 나타낸다.

3. 결합법칙

[math(\left( a * b \right) * c = a * \left( b * c \right))]가 항상 성립할 때, 이 이항연산은 결합법칙을 만족한다고 한다.

4. 항등원

집합 [math(S)]의 원소 중에 원소 [math(e)]가 존재하여 [math(a * e = e * a = a)]가 항상 성립할 때 [math(e)]를 이 이항연산의 항등원이라고 부른다.

5. 역원

항등원 [math(e)]가 있을 때, [math(a * a' = a' * a = e)]가 성립하는 [math(a')][2]이 있으면 [math(a')]을 [math(a)]의 역원이라고 한다. [math(a')]은 [math(a)]의 값에 따라 다를 수 있다.

6. 군(group), 환(ring), 체(field)

1. 집합 [math(G)]에 이항연산 [math(*)]가 정의되어 있고, (물론 닫혀 있어야 한다.)
2. [math(*)]가 결합법칙을 만족시키고,
3. [math(G)]가 항등원을 가지고 있고,
4. [math(G)]의 모든 원소들이 각각 역원을 가지고 있을 때,
[math(\left( G, * \right))]가 군(group)을 이룬다고 한다. 여기서 이항연산이 [math(*)]인 것이 뻔할 때에는 그냥 "[math(G)]가 군을 이룬다", 혹은 "[math(G)]는 군이다"라고 한다.

[math(a*b = b*a)]가 항상 성립할 때 교환가능하다고 하는데, 이런 연산을 가진 그룹은 가환군(Abelian group)이라고 부르며, 정수라는 집합에 주어진 덧셈이 가장 잘 알려진 예제다. 항등원은 [math(0)], [math(n)]의 역원은 [math(-n)]. 이에 착안하여 가환군의 연산은 보통 +로 표기한다. 가환군에 또다른 연산인 곱셈이 정의되어 분배법칙이 성립하고, 곱셈에 결합법칙이 성립하면 환(ring)이라고 하며, 0을 제외한 원소들에 곱셈에 대한 역원이 있고 가환이면 체(field)라고 한다. 여기서 곱셈의 가환 조건을 만족하지 않으면 꼬인 체(skew field)라고 한다.

7. 고등학교 교육과정

이항연산과 행렬 등이 수학교육학에서 갖는 의의는, 교환법칙이나 결합법칙 등이 실수 외의 체계에서는 성립하지 않을 수도 있다는 점이다. 그래선지 이를 간과하면 틀릴 수도 있는 상황을 행동 영역(쉽게 말해 문제 학습)에 제시하는 편이다.

그래선지 고등학교 1학년 과정 초반에 ' 항등원과 역원' 등과 함께 기초적으로 제시되는 내용이었으나, 2009 개정 교육과정에서 ' 행렬'을 탈락시켰고 '항등원과 역원'의 필연성이 저하됨에 따라 함께 빠졌다. 수능 미출제 과목인 고급 수학Ⅰ·Ⅱ에서조차 다루지 않는다. 2022 개정 교육과정에서 '행렬' 부활이 확정적으로 논의됨에 따라 '이항연산'까지는 아니더라도 '항등원과 역원'은 다시 복귀할 가능성이 커졌다.


[1] [math(S \times S = \left \{ \left( x, y \right) |x, y \in S \right \})] [2] [math(a^{-1})]로 표기하기도 한다.

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