自由積

自由積

在數學的群論中,自由積(英語:free product,法語:produit libre)是從兩個以上的群構造出一個群的一種操作。兩個群G和H的自由積,是一個新的群G ∗ H。這個群包含G和H為子群,由G和H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G和H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余積。

定義

這個群包含G和H為子群,由G和H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G和H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。

建構方式

若 G和 H是群,以 G和 H形成的 是以下形式的乘積:

自由積 自由積
自由積 自由積

其中 是 G或 H的元。這種字可以用以下的操作簡化:

•除去其中的(G或H的)單位元,

•將其中的gg一對元素以其在G中的積代替,將其中的hh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:

自由積 自由積

自由積 G∗ H的元素是以 G和 H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 G∗ H的元素是 x的冪和 y的冪交替的積。此時 G∗ H同構於以 x和 y生成的自由群。

自由積 自由積
自由積 自由積

設 是群的一個族。用 形成的字,也可以用上述操作簡化為簡約字。

自由積 自由積
自由積 自由積

仿上可定義出 的 自由積

表示

自由積 自由積

是 G的一個展示( S是生成元的集合, R是關係元的集合)

自由積 自由積

又設

自由積 自由積

是 H的一個展示。那么

即是 G∗ H是 G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。(兩者都是不交並。)

性質

自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積

將 自然地映射到 的群同態是內射,故此這個群同態將 嵌入到 中為子群。

泛性質

自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積

設 G是群, 是由群組成的一個族,有一族群同態 。那么存在唯一的群同態 ,使得對所有 都有 。

自由積 自由積
自由積 自由積
自由積 自由積

其中 是把 嵌入到 中的群同態。

推廣

共合積(英語: amalgamated (free) productfree product with amalgamation,法語: produit (libre) amalgamé)是自由積的推廣。設 G和 H是群,又設 F是另一個群,並有群同態。

自由積 自由積
自由積 自由積

自由積 自由積

對 F中所有元素 f,在自由積 G∗ H中加入關係

自由積 自由積
自由積 自由積

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

自由積 自由積

共合積可視為在群範疇中圖表 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並,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。

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