Utente:Grasso Luigi/sandbox4/Presentazione di un gruppo
In matematica, e in particolare in algebra astratta, una presentazione di un gruppo è una particolare definizione ottenuta mediante l'elenco dei generatori del gruppo, ovvero degli elementi il cui prodotto combinato dà origine a tutti gli elementi del gruppo, e delle relazioni tra i vari elementi. Indicando l'insieme dei generatori con e l'insieme delle relazioni con , la presentazione di un gruppo si indica con
Definizione
modificaLa definizione formale di una presentazione necessita di alcune definizioni preliminari, che vengono date nel seguito.
Alfabeto e parole
modificaConsideriamo un insieme detto alfabeto dove per ogni definiamo un ulteriore elemento [postille 1][1], cioè:
allora definiamo una parola di lunghezza n un qualunque prodotto (cioè la legge di composizione del gruppo G) formale finito
- ,
e denotiamo la parola vuota come il prodotto formato da nessun fattore, in notazione . Essendovi elementi che si possono ripetere n-volte, utilizziamo le seguenti scritture abbreviate:
Tali sequenze di elementi del gruppo G possono essere semplificate. Infatti una generica sequenza del tipo:
ha due occorrenze che si possono cancellare riducendo la lunghezza della parola senza influenzare il suo significato. La cancellazione si può effettuare in percorsi diversi ma il risultato è sempre la stessa parola per una descritta parola iniziale . Una parola è detta ridotta se non esistono due elementi e contigui. È sempre possibile ottenere una parola ridotta eliminando tali elementi contigui (ovvero sostituendoli con la parola vuota); due parole sono considerate equivalenti se generano la stessa parola ridotta. Ad esempio:
quindi sono due parole equivalenti perchè semplificando danno la stessa . Una parola ridotta verifica la seguente condizione:
oppure se
dove la parola ridotta ha lunghezza al più , basta considerare le sequenze ridotte limite:
Gruppo libero
modificaL'insieme delle parole ridotte formate dall'alfabeto si può dotare della struttura algebrica di gruppo [postille 2][2].
- Definiamo come prodotto o legge di composizione interna tra due parole ridotte la parola che si ottiene concatenando le due parole di partenza, e riducendo se necessario il risultato finale.
- Tale prodotto è associativo, cioè
- L'elemento neutro è la parola vuota, già definita in precedenza
- l'inverso di una parola è ottenuto scrivendo i fattori in ordine inverso e scambiando il fattore con il fattore e viceversa.
- con la proprietà
L'insieme delle parole ridotte dotato di questa operazione è un gruppo chiamato gruppo libero sull'insieme e indicato con .
Presentazione di un gruppo
modificaConsideriamo un insieme , il gruppo libero e un sottoinsieme formato da parole di . Il gruppo di presentazione è definito come il più grande gruppo quoziente di tale che ogni elemento di è identificato con l'identità.
Detto il più piccolo sottogruppo normale contenente (chiusura normale di ), si dimostra che:
Gli elementi di sono detti generatori di , gli elementi di sono detti relatori; questi elementi esprimono in effetti delle relazioni di uguaglianza tra gli elementi di , che nella loro forma più semplice possono essere espressi come , dove e è l'identità di .
Presentazioni finite
modificaUna presentazione è detta finitamente generata se l'insieme dei generatori è finito, finitamente relazionata se è finito l'insieme delle relazioni, finita se sono finiti sia che . In simboli:
Ogni gruppo finito possiede una presentazione finita, che si ricava direttamente dalla sua tavola di composizione: è sufficiente prendere e come l'insieme formato da tutti gli elementi del tipo , dove è una entrata della tavola di composizione.
Presentazione ricorsiva
modificaSe è indicizzato da un insieme , esiste una funzione biiettiva e un algoritmo che, dato permette di trovare e viceversa (numerazione di Gödel). Dato un insieme , diciamo che è ricorsivo o ricorsivamente numerabile se lo è .
Se l'insieme delle relazioni è ricorsivamente numerabile, la presentazione è detta ricorsiva; in questo caso è sempre possibile trovare una presentazione del gruppo per cui l'insieme delle relazioni è ricorsivo (giustificando la sovrapposizione delle due notazioni).
Ogni gruppo finito ha una presentazione ricorsiva, mentre non è vero l'inverso. Un teorema dovuto a Graham Higman stabilisce che un gruppo finitamente generato ha una presentazione ricorsiva se e solo se è immerso in un gruppo a presentazione ricorsiva. Segue che, a meno di isomorfismi, esiste solo una quantità numerabile di gruppi a presentazione ricorsiva. Bernhard Neumann ha mostrato che esiste una quantità più che numerabile di gruppi a due generatori; pertanto esistono gruppi finitamente generati che non possono essere presentati ricorsivamente.
Proprietà
modificaPer le presentazioni di un gruppo valgono le seguenti proprietà:
- ogni gruppo ha una presentazione;
- ogni gruppo finito ha una presentazione finita;
- in generale, esistono delle presentazioni per le quali nessun algoritmo è in grado di decidere se due parole descrivano lo stesso elemento del gruppo (problema delle parole);
- dati due gruppi e di presentazioni e , con e disgiunti, il prodotto libero ha presentazione ;
- dati due gruppi e di presentazioni e , con e disgiunti, il prodotto diretto ha presentazione ;
Esempi di presentazioni di gruppi
modificaNella tabella seguente sono riportate alcune presentazioni di gruppi di uso comune; molti di questi gruppi possiedono numerose altre possibili presentazioni che qui non sono riportate.
Gruppo | Presentazione | Note |
---|---|---|
Gruppo libero su | Un gruppo libero non è soggetto ad alcuna relazione tra i suoi elementi. | |
Gruppo libero abeliano su | , dove è l'insieme di tutti i commutatori di . | |
Gruppo simmetrico | , dove la seconda relazione vale per . | La terza relazione si può sostituire con , utilizzando la prima relazione. è la permutazione che scambia l'i-esimo elemento con l'i+1-esimo. Il prodotto è un 3-ciclo sull'insieme . |
Gruppo di trecce | , dove la prima relazione vale per . | L'unica differenza con il gruppo simmetrico è la mancanza della relazione . |
, gruppo ciclico di ordine n | ||
, gruppo diedrale di ordine n | rappresenta una rotazione, una riflessione. | |
, gruppo diedrale infinito | ||
, gruppo diciclico | ||
Gruppo dei quaternioni | Equivale al gruppo diciclico . | |
Il gruppo tetraedrale | È il gruppo delle simmetrie di un tetraedro che conservano l'orientamento. | |
Il gruppo ottaedrale | È il gruppo delle simmetrie di un ottaedro che conservano l'orientamento. | |
Il gruppo icosaedrale | È il gruppo delle simmetrie di un icosaedro che conservano l'orientamento. | |
Note
modifica- ^ (EN) P. M. Cohn, IX. Further group theory § 9.9, in Algebra I, 2ª ed., John Wiley & Sons Inc, 1982, ISBN 978-0471101697.
- ^ (EN) M. A. Armstrong, XXVII. Free groups and presentations, in Groups and Symmetry, 1ª ed., NY, Springer, 1988, pp. 166-172, ISBN 978-0-387-96675-5.
- Postille
Bibliografia
modifica- (EN) D. L. Johnson, Presentations of Groups. Cambridge, Cambridge University, 1990. ISBN 0-521-37824-9
- (EN) H. S. M Coxeter, W. O. J. Moser, Generators and Relations for Discrete Groups. New York, Springer-Verlag, 1980. ISBN 0-387-09212-9
Voci correlate
modifica- Insieme di generatori
- Tavola dei gruppi piccoli
- Teorema di Van Kampen, un esempio di teorema che fa uso di presentazioni di gruppi.
Collegamenti esterni
modifica- (EN) Gruppi e grafi di Cayley, su geom.uiuc.edu.