自由積


在數學的群論中,自由積英语:free product,法语:produit libre)是從兩個以上的群構造出一個群的一種操作。兩個群GH的自由積,是一個新的群GH。這個群包含GH為子群,由GH的元素生成,並且是有以上性質的群之中「最一般」的。自由積一定是無限群,除非GH其一是平凡群。自由積的構造方法和自由群(由給定的生成元集合所能構造出的最一般的群)相似。


自由積是群範疇中的餘積。




目录





  • 1 建構方式


  • 2 展示


  • 3 性質


  • 4 泛性質


  • 5 共合積


  • 6 參考




建構方式


GH是群,以GH形成的是以下形式的乘積:


s1s2⋯sn,displaystyle s_1s_2cdots s_n,displaystyle s_1s_2cdots s_n,

其中siGH的元。這種字可以用以下的操作簡化:


  • 除去其中的(GH的)單位元,

  • 將其中的g1g2一對元素以其在G中的積代替,將其中的h1h2一對元素以其在H中的積代替。

每個簡約字都是G的元素和H的元素交替的積,例如:


g1h1g2h2⋯gkhk.displaystyle g_1h_1g_2h_2cdots g_kh_k.displaystyle g_1h_1g_2h_2cdots g_kh_k.

自由積GH的元素是以GH形成的簡約字,其上的運算是將兩字接合後簡化。


例如若G是無窮循環群<x>,H是無窮循環群<y>,則GH的元素是x的冪和y的冪交替的積。此時GH同構於以xy生成的自由群。


(Gi)i∈Idisplaystyle (G_i)_iin Idisplaystyle (G_i)_iin I是群的一個族。用Gidisplaystyle G_iG_i形成的字,也可以用上述操作簡化為簡約字。仿上可定義出Gidisplaystyle G_iG_i自由積∗i∈IGidisplaystyle *_iin IG_idisplaystyle *_iin IG_i



展示




G=⟨SG∣RG⟩displaystyle G=langle S_Gmid R_Grangle displaystyle G=langle S_Gmid R_Grangle

G的一個展示(SG是生成元的集合,RG是關係元的集合),又設


H=⟨SH∣RH⟩displaystyle H=langle S_Hmid R_Hrangle displaystyle H=langle S_Hmid R_Hrangle

H的一個展示。那麼


G∗H=⟨SG∪SH∣RG∪RH⟩.displaystyle G*H=langle S_Gcup S_Hmid R_Gcup R_Hrangle .displaystyle G*H=langle S_Gcup S_Hmid R_Gcup R_Hrangle .

即是GHG的生成元和H的生成元所生成,而其關係是G的關係元和H的關係元所組成。(兩者都是不交併。)



性質


  • Gi0displaystyle G_i_0displaystyle G_i_0自然地映射到∗i∈IGidisplaystyle *_iin IG_idisplaystyle *_iin IG_i的群同態是內射,故此這個群同態將Gi0displaystyle G_i_0displaystyle G_i_0嵌入到∗i∈IGidisplaystyle *_iin IG_idisplaystyle *_iin IG_i中為子群。


泛性質


G是群,(Gi)i∈Idisplaystyle (G_i)_iin Idisplaystyle (G_i)_iin I是由群組成的一個族,有一族群同態(ϕi:Gi→G)i∈Idisplaystyle (phi _icolon G_ito G)_iin Idisplaystyle (phi _icolon G_ito G)_iin I。那麼存在唯一的群同態ϕ:∗i∈IGi→Gdisplaystyle phi colon *_iin IG_ito Gdisplaystyle phi colon *_iin IG_ito G,使得對所有i0∈Idisplaystyle i_0in Idisplaystyle i_0in I都有


ϕi0=ϕ∘ιi0displaystyle phi _i_0=phi circ iota _i_0displaystyle phi _i_0=phi circ iota _i_0

其中ιi0:Gi0→∗i∈IGidisplaystyle iota _i_0colon G_i_0to *_iin IG_idisplaystyle iota _i_0colon G_i_0to *_iin IG_i是把Gi0displaystyle G_i_0displaystyle G_i_0嵌入到∗i∈IGidisplaystyle *_iin IG_idisplaystyle *_iin IG_i中的群同態。



共合積


共合積英语:amalgamated (free) productfree product with amalgamation,法语:produit (libre) amalgamé)是自由積的推廣。設GH是群,又設F是另一個群,並有群同態



ϕ:F→Gdisplaystyle phi colon Fto Gdisplaystyle phi colon Fto Gψ:F→Hdisplaystyle psi colon Fto Hdisplaystyle psi colon Fto H

F中所有元素f,在自由積GH中加入關係


ϕ(f)ψ−1(f)=edisplaystyle phi (f)psi ^-1(f)=edisplaystyle phi (f)psi ^-1(f)=e

便得出其共合積。換言之,在GH中取最小的正規子群N,使得上式左方的元素都包含在內,則商群


(G∗H)/Ndisplaystyle (G*H)/Ndisplaystyle (G*H)/N

就是共合積G∗FHdisplaystyle G*_FHdisplaystyle G*_FH


共合積可視為在群範疇中圖表G←F→Hdisplaystyle Gleftarrow Frightarrow Hdisplaystyle Gleftarrow Frightarrow H的推出。


塞弗特-范坎彭定理指,兩個路徑連通的拓撲空間沿著一個路徑連通子空間接合的併,其基本群是這兩個拓撲空間的基本群的共合積。


共合積及與之相近的HNN擴張,是討論在樹上作用的群的Bass–Serre理論的基本組件。



參考



  • PlanetMath上Free product的資料。


  • PlanetMath上Free product with amalgamated subgroup的資料。


  • Pierre de la Harpe. Topics in Geometric Group Theory. Chicago and London: The University of Chicago Press. 2000. ISBN 0-226-31721-8. 


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