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
群 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
は ひとつで生成されます。任意の整数 は を 回足すか、 を 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。
| 群 | 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。
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。
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
が 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。 と 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
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 ( と は でない整数)の全体がとれる。
一方で商 は 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、 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
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。










構造定理により、Zr の階数 r と、割り切れる関係で並べた ni 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。