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有限生成群の定義と性質|生成系・商と部分群の非対称・構造定理

の有限個の元 をとり、これらと逆元の有限個の積で のどの元も書けるとき、 は有限生成であるといいます。この が生成系。

無限に大きい群でも、指の数ほどの元から全体が組み上がることがある。どこまでが組み上がってどこからが組み上がらないのか、その境目を見ていきます。

生成される部分群

部分集合 に対し、 を含む最小の部分群を と書きます。 を含む部分群すべての共通部分をとったもの、と言ってもよい。

中身は具体的に書けます。

のときは空の積で、単位元を表す。この集合が積と逆元で閉じることは、並べた列をつなぐだけで確かめられる。

となる有限集合 があれば有限生成。生成系は一つに決まらず、同じ群がいくつもの生成系を持つ。

例:整数全体は 1 元で生成される

ひとつで生成されます。任意の整数 回足すか、 回足すかで得られる。

も生成系になります。 が作れるので、そこから全体に届く。

1 元で生成される群を巡回群といい、 と有限巡回群 がその全部です。

例:対称群は 2 元で生成される

文字の対称群 は位数 で、 が大きいと元の個数は急に増えます。それでも生成系は 2 個で足りる。

互換 と巡回置換 をとれば、この 2 つで 全体が書ける。巡回置換で番号をずらしながら互換を掛けると、隣どうしの互換がすべて作れるからです。

元の個数と生成系の大きさは、まるで別の量。

生成系の例生成系の大きさ
1
標準的な 個の基本ベクトルn
互換と巡回置換2
回転と鏡映2

有限生成群は可算

生成系が有限なら、語の長さごとに元を並べられる。長さ 以下の語は有限個しかないので、群全体は可算集合になる。

対偶をとると、非可算な群は有限生成になりません。実数の加法群 がその例です。

ただし可算だから有限生成、とはいかない。次の節がその反例になります。

例:有理数全体は有限生成にならない

は可算ですが、有限生成ではありません。有限個の分数 をとり、 をその分母の最小公倍数とする。

これらが生成する部分群は に収まる。ところが はそこに入らない。

何個選んでも分母に上限ができてしまい、全体には届かないという構図です。

有理数の加法群

有限個の分数を選ぶと分母に上限ができ、それより細かい分数に届かない。

正の有理数の乗法群

生成系は素数の全体になる。素数は無限にあるので、有限では足りない。

実数の加法群

非可算なので、可算しかありえない有限生成群にはなれない。

自由群からの全射として言いかえる

を生成するとします。自由群 の普遍性を使うと、包含写像 が延長されて全射準同型が得られる。

つまり有限生成であることは、ある の商になることと同じ意味です。関係式を書き足していけば、どんな有限生成群も作れる。

この言いかえのおかげで、有限生成群の話が自由群と関係式の話に置きかわる。

商は有限生成のまま

が有限生成で が正規部分群なら、商 も有限生成です。生成系の像がそのまま商の生成系になる。

逆向きの合わせ技も成り立ちます。 がどちらも有限生成なら、 も有限生成になる。

の生成系と、 の生成系の代表元を合わせればよいからです。

部分群は有限生成とは限らない

商のほうは素直でしたが、部分群では崩れます。有限生成群の部分群が有限生成にならないことがある。

正規部分群でも同じで、正規性は助けになりません。この非対称は、群を扱ううえで最初に覚えておく落とし穴の一つ。

いつでも有限生成のまま。生成系の像がそのまま生成系になる

部分群

有限生成とは限らない。正規部分群でも保証はない

例:交換子部分群が無限階数になる

は 2 元で生成される群です。その交換子部分群 をとる。

これは自由群になりますが、階数は無限です。基底として でない整数)の全体がとれる。

一方で商 で、2 元で生成されます。上へ移せば有限生成のまま、中へ入ると無限生成になるという対比。

有限指数なら部分群も有限生成

歯止めもあります。有限生成群の、指数が有限の部分群は有限生成になる。

証明は Schreier の方法で、剰余類の代表系から生成系を組み立てる。代表系が有限なので、できる生成系も有限になる。

アーベル群でも歯止めが効く。有限生成アーベル群の部分群は、かならず有限生成です。

有限生成アーベル群の構造定理

有限生成でアーベルなら、形が完全に決まります。

ここで という割り切れる関係を課すと、 の並びが一つに決まる。 を階数、右側をねじれ部分といいます。

非可換になったとたん、この種の分類は失われる。有限生成群の全体を分類する望みは、いまのところありません。

有限生成アーベル群について、正しいものはどれですか。

  • 部分群が有限生成にならないことがある
  • 階数とねじれ部分の並びで同型類が決まる
  • かならず巡回群になる
  • ねじれ部分は空でない
__RESULT__

構造定理により、 の階数 と、割り切れる関係で並べた の列が同型類を決めます。ねじれ部分は自明でもかまいません。

Cayley グラフと語の長さ

生成系 を固定すると、群を図にできる。頂点を の元、辺を生成元を掛ける操作にとったものが Cayley グラフ。

このグラフの上で、単位元からの最短の辺数が語の長さです。生成系をとりかえると長さは変わりますが、変わり方には限度がある。

有限生成であることが、この図を描くための前提になる。

例:格子の球を数える

を標準的な 2 元で生成し、半径 の球にいくつ元があるかを数えます。距離 ちょうどの点は を満たすもので、 なら 個ある。

原点の 1 個を足して合計をとると、次の式になります。

の 2 次式。一般に では 次式になり、次数が階数と一致する。

例:自由群の球を数える

同じ数え方を でやってみる。長さ の簡約語は の 4 個です。

長さ の簡約語は、長さ の語の末尾に、直前の文字の逆でない 3 通りを足したもの。だから 個になる。

こちらは指数関数。同じ 2 元生成でも、格子とは増え方がまるで違う。

増大度で群を見分ける

球の元の個数を の関数として見たものが増大関数です。生成系をとりかえると値は変わりますが、多項式か指数かという区別は変わらない。

だから増大の型は、生成系によらない群そのものの量になる。ここから幾何的な分類が始まる。

多項式的に増える有限生成群は、概冪零 な群にかぎられます。Gromov による定理で、幾何の側から代数の形が決まってしまう例です。

冪零な部分群を有限指数で含むこと。

Bass と Guivarc’h の公式によれば、そのときの次数はかならず整数になる。半端な指数で増える群は存在しません。

指数的に増える例は自由群で、その中間の速さで増える群も見つかっている。詳しくは 英語版の Gromov’s theorem on groups of polynomial growth にあります。

よくある誤り

有限生成なら部分群も有限生成、とは言えません。正規部分群でも保証はなく、 が反例になります。
可算なら有限生成、とも言えません。 は可算ですが有限生成ではありません。
生成系は一つに決まりません。 でも でも生成されます。
元の個数が多いから生成系も大きい、とは限りません。位数 が 2 元で生成されます。
語の長さが生成系によらない、と思うと外します。変わるのは長さで、変わらないのは増大の型です。
構造定理をアーベルでない群に使うことはできません。非可換では、この形の分類そのものがありません。
有限生成でない群が珍しい、というわけでもありません。 もそうです。

参考文献

Generating set of a group - Wikipedia
Finitely generated group - Wikipedia
Free group - Wikipedia
Gromov's theorem on groups of polynomial growth - Wikipedia
Endlich erzeugte Gruppe - Wikipedia(ドイツ語)
Groupe de type fini - Wikipédia(フランス語)
有限生成群 - 维基百科(中国語)
有限個の元から、群はどこまで組み上がるか。位数 n! の対称群でも生成系は 2 個で足りるのに、可算な Q は有限個の分数では作れません。商は有限生成のままなのに部分群はそうとは限らず、F2 の交換子部分群は無限階数になります。同じ 2 元生成でも、格子は多項式、自由群は指数で増えます。