УДК 512.54
СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ОТ ОДНОЙ НЕИЗВЕСТНОЙ ДЛЯ СВОБОДНЫХ ПРОИЗВЕДЕНИЙ АБЕЛЕВЫХ
ГРУПП
Е.С. Есып
According to the algebraic geometry over groups, presented by Mvasnikov and Remeslennikov, we give a classification of alebraic sets in G1, where G is a free product of abelian groups without involutions. It is used the theory of ultraproducts.
1. Введение. Формулировка основной теоремы
В статье [1] дано описание координатных групп неприводимых алгебраических многообразий, которые задаются системами уравнений от одной переменной, над свободной конечнопорожденной группой. В статье [5] такое описание дано для группы, являющейся свободным произведением циклических. Цель этой статьи - обобщить это описание для группы, являющейся свободным произведением абелевых групп.
Все определения в данной работе взяты из статьи [1], знакомство с которой необходимо для понимания изложенного здесь материала.
Пусть G - группа, являющаяся свободным произведением абелевых групп
Г
без инволюций, то есть G = * Д, где группа А - абелева и не содержит эле-
г=1
ментов второго порядка, г С {1,..., г}, г ^ 2. Для любой абелевой группы А и любого натурального числа п определим параметр ап (А) следующим образом: пусть А [п] - n-ый слой группы А, то есть А [п] = {о 6 А\ап = 1}. Так как А [п] -ограниченная абелева группа, то она разлагается в прямую сумму циклических групп. Тогда ап (А) - максимальное число циклических групп порядка п по всем таким разложениям группы А [гг], при условии, что этот максимум является натуральным числом, в противном случае ап (А) равно символу оо. Будут доказаны следующие теоремы.
Теорема 1.1. Любая координатная группа Gy неприводимого алгебраического множества Y С G, G-изоморфна группе одной из следующих серий:
1.1. Группа G.
© 2001 Е.С. Есып
E-mail: [email protected] Омский государственный университет
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ JY4 99-01-01907
2.1. G*(t).
2.2. (G,t| [u,t] = 1), где u G G\{1} - корневой элемент бесконечного порядка.
2.3. (G,t| [Ai,t\ = 1), где Ai - один из множителей группы G, при условии, что Ai - группа неограниченного периода.
3.1. G * (t\tn = 1), где п G О (G), О (G) - множество порядков элементов группы G.
3.2. (G,t| [Ai,t] = tn = 1), где п G О (G), Д - один из множителей группы
G, при условии, что ап (Д) = оо. ■
Замечание 1. Элементы конечного порядка группы G сопряжены элементам групп Ai, г G {1,..., г}, поэтому множество О (G) состоит из конечных порядков элементов групп Ai, г G {1, Смотри [2].
Теорема 1.2. Пусть D - неглавный ультрафильтр над счетным множеством I и пусть *G- ультрапроизведение G1 /D. Тогда любая, G-подгруппа Р < *G с одним G-порождающим, G-изоморфна группе одной из серий, перечисленных в теореме 1.1. ■
Теорема 1.3. Пусть V = Vi U... U \ /, - разложение алгебраического множества V С G1 на, неприводимые компоненты. Тогда, Vi им,ест одну из следующих форм:
1.1. Одна, точка v G G1.
2.1. Все пространство G1.
2.2. Множество дС (и) h, где g,h G G, С (и) =< и, > - централизатор элемента и G G\{1} бесконечного порядка, корневого.
2.3. Множество gAih, где g,h G G, где Ai - один из множителей группы G, при условии,, что Ai - группа неограниченного периода.
3.1 Множество gTQ^nh, где g,h G G, Т0^п - множество всех элементов группы G, порядок которых является, делителем п.
3.2 Множество gAi [n] h, где g,h G G, при условии,, что ап (Ai) = оо. я
Доказательство будет проведено при помощи серии лемм. Часть лемм аналогичны леммам, доказанным в статье [1]. Кроме того, добавлены леммы, отвечающие за случаи, когда элемент / имеет конечный порядок (лемма 5.6), и конечную длину (теорема 5.1).
2. Ультрастепени и координатные группы неприводимых алгебраических множеств
Пусть I - некоторое множество и Р (I) - булева алгебра всех подмножеств множества /.
Определение 2.1. Фильтр над I - это подмножество Д множества Р (I) такое, что:
(i) А £ А и А С В С I влечет В £ А;
(и) А, В £ А влечет А П В £ А.
Ультрафильтр - это фильтр D, удовлетворяющий третьему условию:
(Hi) для всех А £ Р (I) в точности одно из множеств А или 1\А принадлежит
D.
Пусть {Gj\i £ 1} - семейство множеств, индексированное множеством /. где
Gi ~
G. и пусть I) - ультрафильтр над I. Ультрастепень П Gt D определяет /
определяется еле-
ем как фактормножество
е/
дующим образом: (xi)ieI ~ (уд^т выполняется тогда и только тогда, когда {i £ I\xt = щ S- G D.
Далее на множестве G определена структура группы. Обозначим \ \G; / D
через *G. *G - это группа с индуцированными операциями из G. Отображение
fT-UGi —>• *(7 является гомоморфизмом групп,
ш
Определение 2.2. Пусть S С G [X], где X = {ад,,,,, хп}. Множество VG (S) = {р £ Gn | V/ £ S, f (р) = 1} называется алгебраическим множеством над G, определяемым S.
Пусть т - множество подмножеств группы G, состоящее из множеств Y и удовлетворяющее условию: для любого х ^ Y существует конечный набор
к
алгебраических множеств )]'..... V;) такой, что х ф U 1)
г=1
Множество г удовлетворяет условиям топологии замкнутых множеств:
(1) 0, G £ т;
к
(2) для любого конечного набора Yx,,,,, Yk £ т U Yi £ т;
г=1
(3) для любого множества индексов I и любого множества £ r\i £ 1}
Л Y, £ г.
Из определения следует, что все алгебраические множества замкнуты.
к к
V/ Y С и Y'
i=l г=1
Определение 2.3. Алгебраическое множество Y называется топологически приводимым, если оно раскладывается в объединение своих собственных подмножеств, являющихся замкнутыми множествами. Алгебраическое множество Y называется алгебраически приводимым, если оно раскладывается в объединение своих собственных подмножеств, являющихся алгебраическими множествами.
Предложение 2.1. Алгебраическое множество Y топологически приводимо тогда и только тогда, когда оно алгебраически приводимо.
Доказательство. Если Y алгебраически приводимо, то Y = U 1), где Yt -
i=1
алгебраические собственные подмножества множества Y. Так как все алгебраические множества замкнуты, то из этого разложения следует, что Y топологи-
k
чески приводимо. Обратно, если Y топологически приводимо, тогда Y = U 1),
г=1
где )) - замкнутое собственное подмножество множества Y. Поскольку )) -собственное, то существует Xi ^ Y\Yi. По определению замкнутого множества
существуют V( |...)) I - алгебраические, такие, что Х{ ^ U )) j. )) С и )) j.
j=i ’ i=i
Пусть ))[j = Y П ))j. тогда ,r( ^ и YY, следовательно, )'Y
k h
гебраичеекие подмножества множества Y, и Y = U U ) / ■.
i=ij=i
алгебраически приводимо.
- собственные ал-Получили, что Y
Поскольку алгебраическая и топологическая приводимость совпадают, то будем называть топологически приводимые множества и алгебраически приводимые множества приводимыми.
Определение 2.4. Пусть S С G [X] - система уравнений над G, и положим Y = Vq (S), Тогда мы определим
Rad (S) = Rad (Y) = {/ е G [X] \Ур е Y, / (р) = 1}.
Назовем Rad (S) радикальным идеалом,, определенным системой S (или определенным Y). Очевидно, Rad (S) - всегда нормальная подгруппа G [X],
Определение 2.5. Фактор-группа GY = Gs = G [X]/Rad(S) называется координатной группой алгебраического множества Y.
Определим отображение ц> : Гу —>• G (р) следующим образом: каждому
p£Y
многочлену h £ Гу сопоставляется вектор, индексы которого - точки множества ) . координаты значения многочлена h на соответствующих точках. Это отображение является гомоморфизмом и вложением, то есть kenp = {1}, Носитель элемента h £ Гу - это множество {р £ Y \h (р) Ф 1},
Определение 2.6. Группа G называется CSA-группой, если выполняются следующие условия:
1) для любого h е G\ {1} его централизатор С {К) в группе G абелев;
2) для любых h е G\ {1} и g е G\C (h), С (h) П g-lC (h) g = 1.
Пример. Группа G, определенная в параграфе 1, является CSA-группой, В самом деле, она является свободным произведением CSA-групп без элементов второго порядка, а потому по теореме 4 из статьи [6] она сама является CSA-группой,
Основным результатом параграфа 2 является
Теорема 2.1. Координатная группа любого неприводимого алгебраического множества над неабелевой CSA-группой G вклады,вается, в ультрастепень *G по некоторому ультрафильтру D (координатные группы, ультрастепень и вложение мм рассматриваем в категории G-групп). я
Основные определения категории (/-групп содержатся в [7], Доказательство теоремы 2,1 мы проведем при помощи серии предложений.
Предложение 2.2. Пусть Y - неприводимое алгебраическое множество, Гу - его координатная группа. Тогда для любого конечного набора hi,...,hk Е
к
Гу\{1} пересечение носителей П supp (hi) не пусто.
г=1
Доказательство. Предположим противное: нашлись элементы h\,...,hk Е
к к
Гг\{1} такие, что П supp (hi) = 0, Тогда формула V (ф = 1) выполняется
г=1 " г=1
на всех элементах множества Y. То сеть, сели >'( = {Syhi = 1, )) = \ <_• №)},
к
то Y = U Ту Далее, для всех i = 1......к. так как /?( не равен тождеетвен-
г=1
но единице на ) . то )) ф Y. Отбросим пустые множества )). Получим набор {У/1 г = 1,....//} такой, что У = U У/, где V/ - собственные подмножества У,
г=1
являющиеся алгебраическими множествами. Это противоречит неприводимости У. ■
Предложение 2.3. Пусть группа G является CSA-группой, Y - неприводим,ое алгебраическое множество в G. Тогда его координатная группа Гу является, CSA-группой.
Доказательство. Нам нужно проверить, что для группы Гу выполняются условия 1) и 2) определения CSA-группы,
1) Пусть h\, h2, h3 Е Гу, hi Ф 1, [hi, ha] = Ф [hi,h3\ = 1. Предположим, что [Л-2Д3] Ф~ 1- По предложению 2.2 существует g е G такой, что hi (g) Ф 1, [hi (g), Л-2 (g)] = 1, [hi (g), /13 (g)] = 1, [/12 (g), Л-з (g)] ф 1. Это противоречит тому, что G является CSA-группой.
2) Предположим, что вторая часть определения CSA-группы не выполняется
в Гу. Тогда в Гу существуют элементы hi и /12 такие, что hi Ф 1, [/ii,/i2 Ф 1] и элемент /г3 ф 1 такой, что [h^,hi] = 1, [/12/13^2 \ hi] = 1. По предложению
2.2 существует g е G такой, что hi{g) Ф 1, [hi (g), h2 (g)] ф 1, hs (g) Ф 1, [h (fj), h (5)] = 1, [Ы (9) h3 (9) hy1 (g), hi (5)] = 1. Тогда h3 (g) e CG (hi (g)) П h\ (9) Cg (hi (g)) 62 (g). Получили противоречие с тем, что G является CSA-группой. ■
Предложение 2.4. Пусть Гу - координатная группа, неприводимого алгебраического множества У над неабелевой, CSA-группой G. Тогда, для любых hi, Л-2 G Гу\ {1} существует h3 е Гу\ {1} такой, что supp (h3) С supp (hi) П supp (h2).
Доказательство. Если [hi,h2] ф 1, то полагаем h3 = [hi,h2]. Предположим, что у е supp(h3). Тогда [hi (g), h2 (g)] Ф 1 и hi ((g) Ф 1, h2 (g) Ф 1, следовательно, у е supp (hi) П supp (h2) и в этом случае все доказано. Предположим, что [hi,h2] = 1. Так как G неабелева, то Гу тоже неабелева, следовательно, существует h\ (г Гу такой, что [hi, hi] Ф 1. Так как G - CS А-группа, то по утверждению 2.3 Гу - тоже CSA-группа, Тогда по условию 2) CSA-группы, так как h3 ^ С (hi), то hihih^1 £ С (hi). По условию 1) CSA-группы С (h2) абелев. Так как hi Е С (h2), [hi, hihih^1] Ф 1, то hihih^1 £ С (h2). Полагаем h3 =
Рис. 1.
[/г2, /ц/д/Д х]. Во-первых, Я3 ф 1. Во-вторых, supp(h3) С supp(hi) П supp(Ji2). Итак, получили искомый элемент. ■
Еще для доказательства теоремы 2.1 нам понадобится следующий общеизвестный факт.
Предложение 2.5. Любой фильтр может быть включен в ультрафильтр.
Закончим доказательство теоремы. Построим фильтр А над множеством Y следующим образом: А состоит из всех носителей supp (h), где h Е 1Д\ {1} и их надмножеств (то есть, если supp [К) С В С Гу, то В 6 А). Условие очевидно. Условие (И) следует из предложения 2.4. Действительно, возьмем А, В Е А, тогда существуют /д. /д> Е Гу такие, что supp (hi) С A, supp (62) С В. Из этого следует, что supp (hi) П supp (Я2) С А П В. По предложению 2.4 существует /;:! Е Гу\ {1} такой, что supp (Я3) С supp (hi) Г) supp (Я2). Тогда supp (Я3) С АпВ СУ и, следовательно, И П В Е А. По предложению 2.5 фильтр А расширяется до некоторого ультрафильтра D. Имеем диаграмму, изображенную на рисунке 1.
Докажем, что кегф = {1}. Тогда ф будет искомым вложением. Предположим, что ф (h) = 1, где h ф 1. Тогда существует ./ Е I) такой, что для любого р Е J, h (р) = 1, но supp (h) П J ф 0. Получили противоречие. Теорема доказана.
■
Предложение 2.3 допускает обращение. Для его доказательства нам понадобится лемма.
Лемма 2.1. В неабелевой CSA-группе G любая нормальная неединичная подгруппа Н неабелева.
Доказательство. Предположим, что Н абелева. Возьмем элемент h Е Н\ {1}. Поскольку группа G неабелева, то по условию (1) CSА-группы существует элемент, не принадлежащий централизатору /;. то есть существует у Е G\C (h). Так как Н - абелева, то Я С (7(/i). Так как Н нормальная, то ЯП Q^lHg ф 1. Но Hf)g^1Hg С С (h) Dg^1C (h) g, следовательно, C (h) Dg^1C (h) g ф 1. Получили противоречие со вторым условием CSA-группы. ■
Предложение 2.6. Пусть G - неабелева CSA-группа, Y - алгебраическое множество над G. Его координатная группа Гу является CSA-группой тогда и только тогда, когда множество Y неприводимо.
Доказательство. В одну сторону это утверждение следует из утверждения
2.3. Обратно, пусть Гу является CSA-группой, Предположим, что Y приводимо. к
Тогда ) = U ) ). где ) ) алгебраические множества, ) ) Ф Y. По теореме Ремака
i=1
существует вложение Гу^Гу х ... х Гу.. где Гу. = ^ М/д. _ эт0 факторы по соответствующим радикалам, Гу = 6' у] /А. И = /ц Г /г. Г ... Г /ц. Обозначим В! = /i’i Г ... Г /Д. Поскольку )) - собственные подмножества и к Ф 1, то можем считать, что В\ ф В и В' ф В. Тогда существуют элемент о 6 B'\Bi и элемент Ь е В t\ В' такие, что их образы [о] и [Ь] в Гу не равны единице. Так как /ц и В' нормальные подгруппы G[x], то с = [о, Ь] е В\ П В' = Д. Следовательно, [с] = 1 и [[о], [Ь]] = 1. В\ / В - неединичная нормальная подгруппа Гу. Так как Гу - CSА-группа, то по лемме 2.1, Д1(/Д неабелева. Кроме того, она является CSA-группой, так как свойство CSA сохраняется для подгрупп. Поэтому централизатор Свдв (И) абелев и не совпадает с В\/В. То есть еуще-ствует d G ( В\ /В) \ {1} такой, что [с', [Ь]] Ф 1. Аналогично, как для элемента Ь, [[о], с'] = 1. Получили противоречие с первым условием CSA-группы, так как по этому условию централизатор Сгу ([о]) должен быть абелевым. ■
По теореме 2.1 все координатные группы неприводимых алгебраических множеств над группой G вкладываются в *G. Поэтому для доказательства теоремы 1.1 достаточно доказать теорему 1.2 и проверить, что все однопорожден-ные подгруппы *G являются координатными группами некоторых неприводимых алгебраических множеств. Это делается непосредственными вычислениями. В теореме 1.3 приведены результаты этих вычислений.
3. Функции длины на свободных произведениях групп
Пусть G - свободное произведение групп, определенное выше. Тогда любой элемент группы G имеет однозначную запись
9 = 9i- ■ -9i, (1)
где рядом стоящие множители принадлежат разным группам А{ и неединичны.
Определим целочисленную функцию длины L : G —>• Z, L (1) = 0. Если 1 Ф a е Ai, то L (о) = 1. Если g записан в виде (1), то L (//) = I.
То, что так определенная функция является функцией длины Линдона, вытекает из следующей леммы.
Лемма А. Пусть L< : G, -Д А функция длины Линдона на группе G{, % = 1,2. Определим функцию L : G\ * G^ —>• A. L (1) = 0 и если g е Gi, то L (g) = Li (g). Если g = gppi.-.gk ~ нормальная форм,а элемента g в свободном
k
произведении G\ * G2, то L{g) = Тогда функция L на свободном
j=i
произведении G\ * G2 является, функцией длины Линдона.
Доказательство. Проверим аксиомы функции длины (см. [1]). Аксиомы (1) и (2) проверяются непосредственно. Проверим аксиому (3), то есть, что для
любых g,h,k Е G
с (g, К) ф min {с (/г, А;), с (k, д)} ,
где с (д, h) = | (X (ц) + L (/г) — L (<7_1/г)). Заметим, что с (g, h) = с (h, 5) для любых g,h Е G1 * G2. Тогда аксиома (3) эквивалентна следующей формуле:
Уд, h,keGi* G2, с (д, К) > с (h, к) => с (д, к) = с (h, к) (2)
Докажем формулу (2), Пусть д = gi...gi, h = h\...hm, к = k\...kn - разложения в виде (1), Полагаем д0 = /г0 = к0 = gi. 1 = gm+i = gn+1 = 1, Выделим максимальные общие множители в начале разложений д и h: д =
т!
hi...hm>gm>+i...gh так что c(g,h) = L (hi) + с(дт>+ъ hm>+1). Аналогично для
г=1
в!
к и /г: к = hi...hn>kn>+i...kn, c(k,h) = L (hi) + c (kn>+i, hn>+i). На элементах
i=1
из свободного множителя Gi функции г и г(. L и L, совпадают, по определению, здесь г = 1,2, По свойству функции длины Линдона, если х,у G то с(х,у) ^ L(x), i = 1,2 [1]. Предположим теперь, что т' < п'. Тогда
т!
c(g,h) I] Т (Ф) + L (hm>+i) ^ с (к, К), что противоречит посылке в форму-
г=1
ле (2), Следовательно, т! 'Д п1. Первые п1 множителей в разложении дик совпадают: д = hi...hn>hn>+i...hm>gm>+i...gi, к = hi...hn>kn>+i...kn.
в!
Если гп! > п/, то с(д,к) = ^2 L (hi) + с (hn>+1, kn>+i) = c(k,h).
i=1
в!
Если rn! = п/, то с(д,к) = ^ L (hi) + c(gn>+i,kn>+i). Так как c(g,h) >
г=1
c(k,h), то в этом случае c(g„/+i,h„/+1) > с (кп,+г, hn>+г), причем дп,+ъ hn>+i, kni+i принадлежат одному и тому же множителю 6’(и. Тогда г (д„>. |. к„>. |) = с (kn>+i, hn>+1), Следовательно, с (д, К) = с (/г, А:), Что и требовалось доказать, ■
Определим стандартным способом понятие редуцированного произведения элементов g и h: goh = gh тогда и только тогда, когда L (gh) = L (g) + L (h). Элемент g G G называется циклически редуцированным, если выполняется условие 9° 9 = 92-
Предложение 3.1. Из условия щ о (д2 о д3) следует (щ о д2) о д3. Поэтому нет надобности скобок в записи Щ о д2 о ... о дъ. я
Предложение 3.2. Если д - циклически редуцированный элемент, тогда L(gn) = \n\L(g). я
Определение 3.1. Будем говорить, что произведение двух элементов /. g Е G есть слияние и обозначать это символом f * д, если либо fg = fog, либо t (/) и о (д) лежат в одном множителе и t (/) Ф о(д)-1, где t (/) - конец /, о (д) -начало д. Нетрудно проверить, что fg = f*g если и только если
ив+т
ЧП + Цд)- 1.
Непосредственно проверяется, что любой элемент можно записать в форме g = /_1 о gQ * /, где до - циклически редуцированный.
Предложение 3.3. Если д - элемент бесконечного порядка, то
Определение 3.2. Элемент g из G назовем архимедовым, сели L (д2) > L(g), в противном случае элемент называется неархимедовым.
Предложение 3.4. В группе G, определенной выше, элементы конечного порядка и только они, являются, неархимедовыми.
Доказательство. Пусть элемент g G G имеет конечный порядок, тогда его
можно представить в виде g = / 1 о д0 о /, где до G (J Д (см, [2] или [3]),
Отсюда следует, что L(g2) = Ь(д^) + 2L(f) = L(g0) + 2L(/) = L(g), а потому импликация доказана.
Обратно, пусть д - неархимедовый элемент, то есть L(g2) ^ L(g). Как отмечено выше, элемент д можно записать в виде д = /_1 о д0 * /, а его квадрат в виде д2 = /_1 о д0 о д0 * /. Если д имеет бесконечный порядок, то используя
утверждение 3, L (д2) = 2L (ц°) + 2L (/) 1 ' Следовательно, L (д2) > L(g),
что противоречит условию. Поэтому д - элемент конечного порядка, ■
4. Функции длины на ультрастепени
Пусть G - группа, I - бесконечное множество, I) - неглавный ультрафильтр над /. *G = G1 / D - ультрастепень, Д : G —$■ *G диагональное вложение G в *G. Возьмем элемент / 6 *G\G и будем рассматривать группу II = (G. /). В ультрастепени естественным образом определена функция длины Ч. : *G М- '7L. детали смотри в [1].
Предложение 4.1. Элемент конечного порядка в *G неархимедов.
Доказательство. Пусть g 6 *G и пусть порядок g равен п. Выберем представитель (//() G G1 для д. Тогда 1д = {/ 6- / д‘/ = 1 }■ G D. Так как Д = {i G I\L(g2) ^ L(gi)} D 1д, то I\ тоже принадлежит D, а потому *L(g2) ^ *L (д), и д - неархимедов.
Лемма 4.1. Если Аг U,,, U Ak G D, то Ад G D для, некоторого j G {1,,,,, к}.
Доказательство. Предположим, что для любых % G {1,.... \< }• Д ф D. Тогда I\Ai е Р п I\Ai П ... П I\Ak G D, что эквивалентно I\ (Ai U ... U Ак) G D. По свойству ультрафильтра получаем, что Д U ... U Ак ф D. Противоречие, ■
Г
г=1
Лемма 4.2. Если А\ U ... U Е D, где . Д....1/, попарно не пересекаются,
то существует единственный у Е {1,... ,к}, для, которого Aj Е D.
Доказательство. То, что такой элемент существует, следует из леммы 4.1. Предположим, что Л j, Е I) и .• 1Е D, где j\ ф }> . Тогда 0 = A j, П А у Е D, что противоречит определению ультрафильтра. ■
Предложение 4.2. Неархимедовый элемент имеет конечный порядок.
Доказательство. Пусть g G G*, L* (g2) Д L(g). Тогда {i G I\L (g2) Д L (gi)} e В, {i e I\b(gf) < Ь(д,)} c {i £ I\g"‘ = 1} = U {'E/|# =1}.
feCO(G)
Так как О (G) - конечное множество, то по лемме 4.1 для некоторого j G О (G), { / G / //,•'' = 1} G D. Следовательно, д"• =1. ■
Предложение 4.3. Пусть д = Д, г<?е а Е AU В, f Е *G. Тогда gn = 1 для некоторого п ЕЪ. я
Предложение 4.4. Если = 1, то элемент g им,ест вид а/, где а Е Л U В. f E *G. я
Будем говорить, что для элементов //. / G G* выполняется слияние g t /. если существуют представители (/j), (<^) Е G1, для которых верно включение {iEl\gt*ft}E D.
Нетрудно проверить, что для элементов g, f Е G* их произведение является слиянием д * f, если
*L(gf)
*L(g) + *L(f) *L{g) + *L{f)-l.
Доказательство предложения 4.4. Пусть д" = 1. тогда по предложению 4.1 L* (д2) ^ L* (д). По определению, д = /-1 о д0 * /. Тогда д2 = /_1 о д$ * f, и если L* ((/о) > 1- Для п > О, L* (дп) = 2L* (/) + nL* (д0) — е, где & - либо О, либо 1 и не зависит от п. Тогда L* (д2) > L* (д) - противоречие. Следовательно, L* (до) = 1. ■
5. Свойства функции длины
Далее мы будем использовать схему статьи [1]. Некоторые леммы этой статьи выполняются для случая свободных произведений без изменений, лемма 4.2 [1], часть (2), требует переформулировки. Лемма 5.1 — это аналог Леммы 4.2,(2), из
[1]. Если и. г Е *G, то существуют и/, v', I Е */•' такие, что и, = и,' ot, v = I 1 о v', uv = и' * v' и *L (t) = [*c (и-1, v)].
Переформулируем лемму 4.4 из [1].
Лемма 5.2. (Лемма 4.4, [1]) Пусть t - большой элемент, и Е G.
(1) Если пара (t, ut) имеет большое сокралцепие, тогда, мм можем записать и = U\ о и,2, t = щ 1 *t'* и,б1 и t' = /-1 о t" о f, где / большой элемент.
(2) Предположим, u G G\ {1}, / G G*\G, и запишем и = v ой* v~1, где й, - циклически приведенный. Если пара (/_1,и/) имеет большое сокращение, тогда мы можем записать / = v о йа о f, где а G Z*\Z, /' 6 G*. ■
Определение 5.1. Элемент g G *G называется корневым, если он является порождающим максимальной циклической подгруппы группы *G.
Лемма 5.3. (Лемма 4.5, [1]) Эта лемм,а и ее доказательство переписываются дословно. я
Лемма 4.6 из [1] заменяется следующей леммой.
Лемма 5.4. Пусть f,g,v G G, а, [3 G* Z, f,g - циклически приведенные корневые элементы.
Тогда,
(1) если сап (/“, г/Д G *G\G, то [/, v\ = 1, более того, а и /3 имеют разные знаки;
(2) если, сап (/“, vg13) G *G\G, то / сопряжен g или, g 1. я
Лемма 5.5. (Лемма 4.7, [1]) Пусть t G *G\G - архимедовый элемент такой, что *L{t) ^ Z. Тогда, выполняется одно из следующих условий:
(I) класс эквивалентности [t]G не содержит элементов, делящихся справа или слева на элемент из G\ {1};
(II) класс эквивалентности [t]G содержит элемент вида /" о /,. где /| G *G\G, / G Ff\ {1}, / - корневой элемент и циклически приведенный, /“ G *G\G, и класс эквивалентности элемента /1 не содержит элементов вида /-j ° у1. где g G G п дл G *G\G. В дальнейшем, /| не может быть записан в виде о /':
(III) попадает под случай (ii);
(IV) класс эквивалентности [t] (_. содержит элемент вида /" о / ( о//1, где /. д G G\ {1}, f,g- корневые элементы и циклически приведенные, fa,g^ G *G\G и д не сопряжен /: 1. В дальнейшем, /1 не может быть записан в виде f±l о /' или
(V) класс эквивалентности [t]G содержит элемент вида /" о /, о /1. где / G G\ {1}, / - корневой элемент и циклически приведенный, /а,/^ G *G\G, t\ G *G\ {1} и G не может быть записан в виде >/±1 о или о /±х;
(VI) класс эквивалентности [t]G содержит элемент вида /" , где / G G -
циклически приведенный и корневой элемент, и /" G *G\G. я
Лемма А. Лусшь f,g G G. Если [/, ... gnpfmpgnp+1] = 1, <?ля щ,...,
np+i, m,i,... ,т,р G Z\ {0}, gmfmi ,,, gnpfmpgnp+1 - приведенное слово от fug. Тогда, [f,g} = 1. ■
Лемма 5.6. (аналог Леммы 6.4 [1] для неархимедовых элементов) Пусть t G *G\G - неархимедовый элемент такой, что *L{t) Z. Класс эквивалентности, [t]G содержит элемент вида fa о о /Д gcte / G G\ {!}, / - корневой,
элемент и циклически приведенный, /“, G *G\G, Д G *G\ {1} м Д не может быть записан в виде f±l о f или, t' о f±l. Тогда (G,t) - группа, равная G * (t") для, некоторого t", F2-.9Kexj,валентного t ((G,t) = G* (t")).
Доказательство. Нам нужно показать, что если h = // (/ 1 п21 '... ///, / ' ///, . |. где £i = ±1, щ G G и если щ = 1, то е* = ^+i и h Ф 1. Положим /?,. = Uit£lU2t£2 ... urt£r.
Имеются два случая. Предположим вначале, что а и /3 имеют один знак. Докажем, что hr может быть записан в виде hr = xysi... vrnsrn, где in = in (г) ф 1, г, G /д и
(1) Si = XiWiVi, где х4 = /“ или f~?, хд = f~a или Д3 и щ = tf fmtf ...
где p = p{i) ф 1, rjj = r]j (i) = ±1, rij = rij (%) G *Z\ {0}, /”? G Ip и iy = 1. если Xi = /“; Vi = -1, если ад = Д3; rjp = 1, если xp = Д3; rjp = -1, если y{ = /“; далее, i/j i i/j = —1 для 2 Д j ф p;
(2) для i > 1. если //( i = / " и = /". тогда [ц, /] ф 1; также, если yt^ = f И хг = Гф ТО [хн,ПФ 1;
(3) если = 1, то //„, = Д3, и если = —1, то ут = / ".
Доказательство проведем индукцией по г. Для случая г = 1 утверждение
верно. Предполагая, что оно верно для г. Рассмотрим
hr+i = (/iSi... xjmsm) xj,r-$-it + .
Положим и = II,. . | .
Случал!, 1. £r+i = 1. Тогда hr+1 = (щщ,,, vmsm) ufatifC Если er = 1, то //,,* = Г II полагая oTO+i = и, xm+l = /". wTO+i = /,. //„,. , = Д3, запишем /?,.. | в виде cxsx ... x;m+ism+i, что и требовалось. Если ег = —1, то ут = / ". и доказательство аналогично предыдущему, исключая случай, когда и коммутирует с /. В этом случае по лемме 4.1 [4] и = fn для п G *Z. Следовательно, hr+1 = visi. ..xmxvmfntifP. Положим w’m = xvmfnti, xy'm = f? и s'm = xmxv'mxy'm. Тогда hr+1 = V\Si... vrn^isrn^ivrns'm - выражение для hr+i требуемой формы.
Случал! 2. er+i = — 1. Доказательство этого случая аналогично случаю 1.
Далее, мы утверждаем, что сап (а^год хд) G G и сап (ащ щ) G G для всех подходящих /. так что Si G *G\G. Если считать это доказанным, тогда can (viXiXVi, хд) G G по лемме 5.3 (1). По условию (2) и лемме 5.4 сап (г/*_ь цаД G G для i > 1. Кроме того, несколько раз используя лемму 5.3 (1), сап(ща;д щ) G G и con (yi-i, ViXiXVi) 6 G, и поэтому con {yi-iViXiVJiXji) G G, то есть con G
G. При дальнейшем применении леммы 5.3 (1) получаем can (sj_i, гед) G G и can (vi-isn, ViSi) G G. По лемме 5.3 (2), /ц g *G\G, так что h = hkUk+i G *G\G. Следовательно h Ф 1, как и требовалось.
Чтобы завершить доказательство леммы, достаточно показать, по лемме 5.4, что iv, не коммутирует с /. Если [год/] = 1, то беря координаты и используя лемму А мы можем доказать, что [Д,/] = 1, и тогда по лемме 4.1 [4] Д = /"' для некоторого т G *Z. Это противоречит предположениям на Д,
Далее предполагаем, что а, /3 имеют разные знаки. Проверим, что hr может быть записан в виде hr = vlsl... vmsm, где ,п = т (г) ф 1. г( G 1д и
И Wj
(1) Si = XiWiUi, где Xi = /“ и Ui = , или xt = f fi и y{ = /'
tifni+a+l3ti... fnp-1+a+l3ti, если xt = /“, Hi = f13 Wi = ,,,
fnp-i-a-Pt-l^ eam x% = m = f-a.
(2) для i > 1. если I/; | = / " и Xi = f". to [щ, /] Ф 1; также, если //,• , = hi, = ffj-, то [ц,/] ф 1;
(3) если — 1 то Ут — /ф и если = —1, то ym = f ".
Доказательство индукцией по г.
Обозначим Gz = {f Е G*|L* (/) е Z}. Ультрапроизведения естественным образом вкладываются в *G. Следующая лемма дает описание структуры группы Gz-
Лемма 5.7. Группа Gz является свободным произведением ультрапроизве-
к
дений *Ai, то есть Gz = *
г=1
Доказательство. Вначале докажем, что любой элемент f Е G* такой, что
к
L* (/) Е Z, представляется в виде произведения элементов из множества U . 1(.
г=1
Пусть длина элемента / равна гг. Возьмем некоторый представитель /' элемента / в декартовом произведении П G. Тогда множество /0 С I. на котором
iei
выполняется равенство L (/Д = п, принадлежит ультрафильтру. Любой элемент у Е G длины и однозначно представляется в виде у = у | у->.. .</„. где у\ Е Ау-, ...;Уп £ Ain, набор (ii,i2, ■■■Ап) принадлежит некоторому конечному множеству наборов, а именно кп. Этот набор назовем структурой элемента у. Таким образом, множество Iq разбивается на конечное объединение неперееекающихся множеств /о = U Г> по следующему принципу: Г> - это множество всех ни зек-
i' £кп
сов, для которых fj имеет структуру По лемме 2 [5] существует единственный /[, Е к". для которого множество принадлежит ультрафильтру. Тогда элемент / представляется в виде / = ./) •••/„• где /, е *Aioi,f2 е *Aio2,...., /„ е *Aion, (й)1) ^02; ■■■) Фп) =
Чтобы завершить доказательство леммы достаточно показать, что из условия /, .../„ = 1, где /, е *Ak,f2 Е М,-../„ е *Ain, (/,. /•_»./„) = г', h ф
/•_>.i„ | Ф i„. следует, что _/) = 1 для некоторого % Е {1.п\. Также, как в
начале доказательства, возьмем представители /(. //,./' соответственно эле-
ментов /l, /2, fn- Множество ИНДеКСОВ j Е /, ДЛЯ КОТОРЫХ f[jf2j...fnj = Ф
принадлежит ультрафильтру, где /у е . 1(|. f2j Е . 1(../Д е Дп, Тогда по
лемме 2 [5] и по свойству ультрафильтра множество индексов j Е I, для которых /у = 1, тоже принадлежит ультрафильтру. ■
Доказательство основной теоремы разбиваем на два случая. Первый - когда *L (t) е Z (теорема 5.1), и второй - когда *L (t) ^ Z (теорема 5.2, теорема 5.3).
Лемма В. Если hi Е G, h2 Е *G\G, hs Е *G, тогда из условия h2ohs следует {hih2)ohz. я
Теорема 5.1. Пусть G - группа, определенная в параграфе 1, *G - ультрастепень по неглавному ультрафильтру, t Е *G\G - элемент конечной длины.
Тогда группа, порожденная группой G и элементом t, G-изоморфна одной из групп:
1 )G*{t'),
2) G * (t'\t'n = 1), где п G 0(G),
3) (G,t'\ [Ai,t'] = 1),
4) (G,f | [Ai,H] = t,n = 1), где n G О (G).
Доказательство. У нас есть элемент t G *G\G, *L (t) G Z. Обозначим через II = (G,t) группу, порожденную G п /. По лемме 5.7 элемент / имеет вид: t = />| где Ъ\ G *.4(|. /ь G *.4,..hp G *Др.
Если р = 1, тогда / = /щ п имеем следующую последовательность рассуждений: Ац элементарно вложена в *А^ (общая теорема теории моделей),
- сервантная в *Д1; для элемента Ь\ существует Ь[ = Ь\а! такой, что a! G А^ и (Д1; b[) = (Ait) ф (Ь[). Далее, рассматривая нормальные формы в *G, получаем, что Н G-изоморфна одной из групп:
(G,?| [АиИ] = 1) или (G,?| [АиИ] = t,n = 1), где п е О (G).
Если р > 1, то можем считать (так как группы классифицируются с точностью до G-изоморфизма), что bi,bp ^ G. Порядок элемента t может быть конечен; если это так, то обозначим его через п.
Предположим, что есть нетривиальное соотношение w = g\tni 5Д”2 ■ =
1, где gi, ...,gk G G, щ, ...,nk G Z, tni ф 1, ...,tnk Ф 1, gi ф 1, ...,gk ф 1. Предположим, что k = 1. Можем считать, что п,\ > 0.
Случай 1. В записи элемента t, %\ = ip. Как замечено в параграфе 2, элемент t записывается в виде t = /_1 о to * /, где to - ^-циклически редуцированный элемент, tn = /-1 о tQ * ... * Д*/, и пусть /_1 = ф о ... о bs, t0 = 6S+1 о ... о 6p_s о с3,
П
/ = bp-s+io...obp = b^o.^obi. Тогда по лемме В гг = дфП1 = дхЬх.-.ЬффЬф ...Ъф = (gibi) о Ь2 ° ... ° bs о Тф * f Ф 1. Получили противоречие.
Случай 2. В записи элемента t, %\ Ф ip. Тогда w = дфП1 = (g1b1)o,,,obpofH_1 ф 1. Противоречие.
Далее предполагаем, что k > 1.
Случай 1. В записи элемента t, %\ = гр. Как замечено в параграфе 2, элемент t записывается в виде t = /_1 о £0 * /, где - ^-циклически редуцированный элемент, tn = /-1 о tQ * ... * Д */, и пусть /-1 = ф о ... о bs, t0 = 6S+1 о ... о 6p_s о с3,
П
/ = bp-s+i о ... о Ьр = о ... о Д, Рассмотрим тройку элементов: =
(bi о ... о bs о * bj1 о ... о b^1) gj (bi о ... о bs о Сф * bjl о ... о бД).
1) Если gj G Д, и з > 1. то tni~1gjtni = ф о ... о bs о * ЬД о ... о Д1 о gj о
Ьь о ... о bs о Сф * bj1 о ... о Ьф.
2) Если gj G Ajtl и s = 1, то tni~1gjtni = Ьг о Сф^1 * д2 ° * Д1.
3) Если ^ Ац, тогда нет сокращений в этой тройке.
Везде степень /0 остается. Делая сокращения во всем слове, получаем, w = gi (b\ о v о Сф * Ъф). Так как b\ G *G\G, то w = (дфф о v о Сф * Ъф ф 1. Таким образом, в случае 1 все доказано.
Случай 2. В записи элемента t, %\ Ф ip.
Случай 2.1. р > 2.
Рассмотрим тройку tni~1gjtnE Если rij-i, rij - положительны
< bi о ,, ■ ° (bp9j) o^o ,,, о bp
tnk-lg.tnk = bl...bpgjbi...bp = { bi O ,, . о bp о (gjbi) о ... о bp
l bi О ,, . о bp о gj о bi о ... о bp.
Если rij-i < 0, rij > 0, тогда tnk-1gjtnk = bpl...bilgjbi...bp = { Kl l K1 о ... о Д1 о gj obi о ■■■ ° bp о ... о bg 1 ° 9j ° b2 о ... О Ьр
Во всех случаях множитель Ь2 остается после сокращений как в степени tnj, так и в f1!-1. Если nj-i,rij - отрицательны или пщi < 0, rij > 0, тогда берем обратный элемент к тройке и используем уже доказанное. Получаем, что 9itm92tm...gkt^ #1.
Случай 2.2. р = 2,
Мы утверждаем, что для j = 1......к подслово Wj = /л /"' слова w
заканчивается на
о Ы. о &2, b'j Е *Ак о b'j о Д1, b'j Е *Ai2
(на месте точек может быть пустое слово).
Доказываем это утверждение индукцией по j. База индукции: если /л g Ait, тогда (9iк) о Ъ2,
(gibi) о Ь2 о ... о bi о Ь2,
Wi
91 о 9i о
К1,
«1 = 1 П\ > 1
rii = —1
щ < -1,
если /л G Д2, тогда 9i о h о Ъ2, globiob2o
Wi
9ih 9\Ьй1
Л ) k-i„
О bi о Ь2,
о 1
2 ^ ^ щ ^ ^ и2
если /л ^ Дj U Д2, тогда gi obi о Ь2,
gi о Ь\ о Ь2 о ... о Ь\ о Ь2
Wi
glob2lobll,
9i°b2
о b.
ob2lobll,
«1 = 1 rii > 1
П\ = —1
щ < -1,
«1 = 1 «1 > 1 «1 = —1 n 1 < —1.
Далее предположим, что для i A j наше утверждение доказано. Рассмотрим
Wj+i = ii-jfij. | /" • 1. Вначале рассмотрим случаи, когда Wj Если (/j . | G Д1; тогда
о Ы- о &2, у А Е *Ai
wj+1
О b’j ob2o (gj+ibi) О b2,
о ... о о h,
Д
}ii
А ° ... оЬ2 lobг1
если (/j. | G Д2, тогда
b’j о (b2gj+1) obiob2,
.. O b'j O (b2gj+1) obiob2o ... obi O b2,
Щ = 1 Tlj > 1 Hj = -Uj < -
wj+1
° b'j о gj+1 O bi1,
° b'j о gj+l ~ 1
о
4
%' =1 rij > 1
rij = -
rij < -
если //| Ait U Д2, тогда
... о Щ о b2ogj+l obi о b2,
... о b'j о Ь2 О Qj + 1 О bl о Ь2 О ... ... о b'j ob20 Qj + i О Щ1 О Ь\,
... О b'j О Ъ2 о Qj+i О Щ1 О Ь\ О .
Теперь рассмотрим случаи, когда Wj Если fij. | G Д1; тогда
wj+1
О b.
Wj+1
если <ij . | G
wj+1
wj+1
° bj- ° 0J+1 О &2,
.об' О ^-+1 о Ь2 О ... О bl О Ь2,
■ О b'j О (bflgj+1) О bflobfl,
■ О b'j О (b?gj+l) о Ь2 1 о ЬГ1 о Д2, тогда
о 6' о Ьг 1 О gj+l о bl О Ь
2 j
О b'j О Ьг о b'j О bf1
(я.
i+i°2
Ьо Х)
&Г\
о
° fo+l&2 Х) ° Ь1
если //| ^ Д 2 U Д2, тогда
о b'j о Ъг
9j+i
bi о ь
2,
-1
-1
oVjObl~o gj+i oo2-oWl , о Е о b^1 О gj+i о bfl о Ь^1 О
Uj = 1
1 ь2, Uj > 1
Hj = -1
1 О bf 1 1 Uj < -1.
■b'3ol ф1 b'. , u3 e * * A ■ /±t2.
Uj = 1
Uj > 1
Uj = — 1
bfl О bf 1 1 Uj < - 1,
Uj = 1
О ь2, Uj > 1
Hj = — 1
bfl О bf 1 1 Hj < - 1,
Uj = 1
О Ь2, Uj > 1
Uj = — 1
ЪТ2Х о bf 1 1 Uj < - 1.
Итак, получили, что приведенное слово »д заканчивается на Ь2 или Ь1 1. Отсюда следует, что 1 = w = wk - пустое слово, и группа II G-изоморфна одной из групп: G * {t') или G * {t'\t'n = 1), где n G О (G). Теорема доказана, ■
Теорема 5.2. Пусть G - группа, определенная в параграфе 1, *G - ультрастепень по неглавному ультрафильтру, t G *G\G элемент конечного порядка такой, что *L{t) Z. Тогда группа, порожденная, группой G и элементом t, является, свободным произведением G * (t).
Доказательство. Возьмем слово w = gitai g2ta'2 ... gktak, где gi,...,gk G G\{1}, 0 < ai,...,ak < o{t). Для доказательства теоремы достаточно доказать, что w Ф 1, По предложению 4,4 элемент / имеет вид / = / о и о / 1. где
Г
/ G *G\G, и G U Aj. Перепишем слово w в следующем виде w = gif о uai о о ит о f-l...gkf о иаз о /-1.
Предположим, что w = 1, тогда в некоторой тройке f~lgtf существует большое сокращение. Без уменьшения общности можно считать, что can (f~l, gif) G *G\G. Тогда по лемме 5,3 элемент / записывается в виде f = vi о ^ о /', где gi = Ы о v2 * г, 1. Отсюда утверждение теоремы следует из Леммы 5,6, ■
Теорема 5.3. В случаях, когда элемент t не удовлетворяет условиям теоремы 5,1 и теоремы 5,2, группа Н = (G,t) G-изоморфна одной из групп, записанных в теореме 1,2, за, исключением серий (3,1) и (3,2).
Доказательство. Случай теоремы 1,2, когда элемент / имеет бесконечный порядок и бесконечную длину, следует из леммы 5,5 и лемм, аналогичных лем-
мам параграфа 6 статьи [1]. Формулировки и доказательства в нашем случае повторяются дословно, ■
Вернемся к доказательству теоремы 1,1, По теореме 2,1 все координатные группы неприводимых алгебраических множеств над группой G вкладываются в *G. Поэтому для доказательства теоремы 1,1 нужно проверить, что все од-нопорожденные подгруппы *G являются координатными группами некоторых неприводимых алгебраических множеств.
Непосредственно из доказательства теоремы 1,2 следует, что группы типа 1,1, 2,1, 2,2 и 3,1 являются подгруппами *G, а потому они являются CSA-группами и по предложению 2,6 они являются координатными группами неприводимых алгебраических множеств. Остается проверить, при выполнении каких условий группы типа 2,3 и 3,2 являются подгруппами *G.
Разберем случай группы типа 2,3, Непосредственно из соотношений соответствующей координатной группы следует, что элемент / принадлежит * Д. Если А - абелева группа, то в ее ультрастепени по неглавному ультрафильтру есть элемент бесконечного порядка тогда и только тогда, когда А - неограниченная группа. Поэтому при выполнении условия, сформулированного в случае 2,3, группа типа 2,3 есть в ультрастепени, а в противном случае ее нет,
И, наконец, разберем случай групп типа 3,2, Допустим, что группа этого типа есть в ультрастепени, тогда соответствующее алгебраическое множество Y равно группе Д [п], Рассмотрим систему уравнений {[Д, t] = tn = 1 над абелевой группой Д, Ясно, что решения этой системы над группой Д совпадают с решениями над группой G. Тогда г, *Д содержится элемент / порядка п такой, что ДпД = 1, И, следовательно, по доказательству теоремы 1,2 (случай р = 1) существует подгруппа типа 3,2, Если же п„ (Д) конечно, то такого элемента в *Д не существует, а потому и подгруппы такого типа не содержатся в *G.
В заключение приведем один важный пример приводимого алгебраического множества Y над группой G, имеющий вид, определенный в параграфе 1, Пример. Пусть G = Ai * Д, где Д = ф С3 (г) ф С5, С3 (г) = (оД| = 1),
г е Z, Съ = (h IV). Д = (с). Множество Y задаем системой S = {[x,b] = 1. Оно равняется Д, так как Д совпадает с централизатором в группе G любого своего неединичного элемента. Оно приводимо, так как раскладывается в объединение алгебраических множеств )). являющихся классами смежности группы Д по
подгруппе ф (Д (i), Множество Yj определяется системой Д
[х, Ъ] = 1 (b^ixf = 1,
где j = 0,..., 4,
Литература
1. Chiswell I.M., Remeslennikov V N. Equations in Free Groups with One Variable j j J. Group Theory. 2000. V.3, № 4. P. 455-466.
2. Магнус В., Kappac В., Солитэр Д. Комбинаторная теория групп. М.: Наука, 1974. С.455.
3. Линдон Р., Шупп П. Комбинаторная теория групп. М.: Мир, 1980. С.448.
4. Есып Е.С. О координатных группах систем уравнений над свободным,и группам,и.
Препринт № 24. Омск, 1999.
5. Есып Е.С., Ремесленников В.Н. Уравнения от одной переменной над свободными произведениям,и, циклических групп: Препринт № 31. Омск: ОмГАУ, 2000. 8 с.
6. Mvasnikov A.G., Remeslennikov V.N. Exponential groups 2: Extentions of centralizers and tenzor completion of CSA-groups // Intern. Journal of Algebra and Computation. 1996. V.6, №. 6. P.687-711.
7. Remeslennikov V.N., Baumslag G., Miasnikov A. Algebraic geometry over groups L Algebraic sets and Ideal Theory // Journal of Algebra. 1999. № 219. P.16-79.