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自由群の部分群はまた自由になる……グラフの基本群で示す

自由群の部分群は、また自由群になります[1]。純粋に群論の主張ですが、いちばん見通しのよい証明は位相を使います。

自由群をグラフの基本群として実現し、部分群を被覆グラフとして読む。グラフの基本群がいつでも自由なので、それで終わります。

以下ではグラフの基本群から始め、被覆グラフで定理を証明し、指数の公式と具体例を並べます。

グラフの基本群

連結なグラフ をとります。頂点の個数を 、辺の本数を とします。

全域木 つ選びます。 本の辺を持ち、可縮です。

点につぶすと、 は円の花束になります。残った辺の本数だけ円がある。

グラフの基本群はいつでも自由群です。階数は にあたります[3]

例: 8 の字

頂点 個、辺 本のグラフが の字です。全域木は 点だけなので、輪は 本。

個の円の花束なら になります。逆に、どんな自由群もこの形で実現できます[3]

例: 完全グラフ

頂点の完全グラフ では です。

全域木は 本の辺を持ち、残る 本が輪を生みます。図の形がどうであれ、数え上げだけで階数が出ます。

被覆グラフ

の連結な被覆は、また連結なグラフです[1,4]

被覆写像は局所同相なので、頂点は頂点へ、辺は辺へ移ります。上の空間にグラフの構造がそのまま持ち上がる。

ここが証明の要です。被覆をとってもグラフのままなら、基本群は自由のままになります。

定理の証明

を自由群、 をその部分群とします。

を階数ぶんの円の花束 の基本群として実現します。ガロア対応から、 に対応する連結な被覆 がとれます[2]

被覆はグラフなので、その基本群は自由です。いっぽう被覆の基本群は と同型でした。

これで証明が終わります[4]。群論の主張が、グラフの絵 枚で片づきました。

ニールセンが 1921 年に有限生成の場合を、シュライアーが 1926 年に一般の場合を示しています[1]

指数の公式

被覆の枚数が分かれば、部分群の階数が計算できます[1,4]

の階数を 、部分群 の指数を とします。

証明はオイラー標数の掛け算です。 枚の被覆では になります。

なので 、階数は です。

例: 指数 2 の部分群

とします。

階数 の群の中に、階数 の部分群があります。生成元が増えている。

具体例を挙げます。 から への準同型で をどちらも へ送ると、核は長さが偶数の語の集まりです。指数は で、階数は になります[1]

例: 階数が減らない

自由アーベル群では、部分群の階数がもとを超えません。 の部分群は )です。

自由群では逆になります。 なら、いくらでも大きい有限階数の自由部分群が入ります[4]

を大きくすれば もいくらでも大きくなる。指数の公式がそのまま言っています。

可換なときと非可換なときで、振る舞いが正反対になる例です。

例: 交換子部分群

の交換子部分群を見ます。商が なので、指数は無限です。

指数の公式は使えません。それでも自由であることは定理から言えます。

階数は可算無限です。 でない整数)が自由な生成系になります[3]

有限階数の群の中に、無限階数の部分群がある。可換化すると という小さな群になるのに、核は巨大です。

例: 階数 1 の場合

、つまり で確かめます。

指数が何であっても階数は です。 の部分群が になる、という古典的な事実にあたります[4]

対応する被覆は円周の 重被覆で、これも円周でした。グラフの側でも階数が変わらない。

例: 自由積との関係

つの群の自由積についても、似た定理があります。クロシュの部分群定理といいます。

自由積の部分群は、いくつかの共役の交わりと自由群との自由積になる。証明はやはり被覆空間を使います。

グラフを木にとり替え、群が作用する対象として扱う。この見方を進めたものが、群のグラフ上の作用を調べるバス・セール理論です。

自由群の部分群の話が、群論の広い枠組みへつながっていく出発点になっています。

参考文献

Nielsen–Schreier theorem - Wikipedia(英語)
Covering space - Wikipedia(英語)
Free group - Wikipedia(英語)
Satz von Nielsen-Schreier - Wikipedia(ドイツ語)
全域木をつぶせばグラフは円の花束になり、基本群は階数 $E-V+1$ の自由群です。被覆をとってもグラフのままなので、部分群も自由。純粋に群論の定理が、絵 1 枚で片づきます。オイラー標数が被覆の枚数倍になることから $\mathrm{rank}(H) = 1 + e(r-1)$ が出て、階数 $2$ の群に階数 $3$ の部分群が入る様子まで確かめました。可換な場合と正反対に、部分群の階数がいくらでも大きくなります。