1 有限生成性と有限表示性
定義 1.1. 群Gが有限生成 (finitely generated) であるとは、有限集合S⊆Gが存在してG=⟨S⟩となることをいう。群Gが有限表示 (finitely presented) であるとは、有限集合Sと有限集合R⊆F(S)が存在してG≅⟨S∣R⟩となることをいう。空集合による生成と表示を認める。
命題 1.3. 次が成り立つ。
- 有限生成群Gと正規部分群K⊴Gに対し、G/Kは有限生成である。
- 短完全列1→NιEπQ→1において、NとQが有限生成ならばEも有限生成である。
証明.Gの有限生成集合Sに対し、商への射影の像がG/Kを生成する。したがって(1)が成り立つ。
Nの有限生成集合XとQの有限生成集合Yを取り、各y∈Yの持上げy∈Eを取る。L=⟨ι(X),y (y∈Y)⟩とおくと、ι(N)⊆Lかつπ(L)=Qである。任意のe∈Eに対し、π(l)=π(e)を満たすl∈Lが存在する。el−1∈kerπ=ι(N)⊆Lであるからe∈Lである。よってE=Lであり、(2)が成り立つ。▨
2 商群と拡大の有限表示
命題 2.1.Gを有限表示群、K⊴Gを正規部分群とする。ある有限集合A⊆Kに対してKがAのGにおける正規閉包であるならば、G/Kは有限表示群である。
証明. 有限表示G≅F(S)/⟨⟨R⟩⟩を取り、対応する全射をq:F(S)→Gとする。各a∈Aに対してq(wa)=aを満たす語wa∈F(S)を取る。M=⟨⟨R∪{wa∣a∈A}⟩⟩とおく。Mはkerqを含み、q(M)はGの正規部分群である。q(M)はAを含むためK⊆q(M)である。一方、q−1(K)はRとすべてのwaを含む正規部分群なので、M⊆q−1(K)である。q(M)=Kかつkerq⊆MによりM=q−1(K)となる。合成F(S)qG→G/Kの核はMであるから、§E7.9 命題 3.3により
G/K≅⟨S∣R∪{wa∣a∈A}⟩である。生成元と関係式の集合はともに有限である。▨
補題 2.2. 短完全列1→NιEπQ→1と、群準同型a:N→P、p:P→Eを取る。p∘a=ι、a(N)⊴Pと仮定する。π∘pから誘導される準同型P/a(N)→Qが同型ならば、pは同型である。
証明.p∘a=ιは単射なのでaは単射である。任意のu∈kerpに対し、πp(u)=1である。P/a(N)→Qの単射性によりu=a(n)となるn∈Nが存在する。1=p(u)=ι(n)とιの単射性によりn=1であり、u=1である。
任意のe∈Eに対し、P/a(N)→Qの全射性によりπp(v)=π(e)を満たすv∈Pが存在する。ep(v)−1∈kerπ=ι(N)であるから、あるn∈Nに対してep(v)−1=ι(n)=pa(n)となる。したがってe=p(a(n)v)であり、pは全射である。よってpは同型である。▨
定理 2.3. 短完全列1→NιEπQ→1において、NとQが有限表示群ならばEも有限表示群である。
証明. 互いに素な有限集合X,Yを生成元とする有限表示
N≅⟨X∣R⟩,Q≅⟨Y∣S⟩を取る。x∈XのNにおける像をnx、y∈YのQにおける像をqyと書き、π(y)=qyを満たすy∈Eを取る。語s∈Sを持上げyで評価した元はkerπ=ι(N)に属する。したがって、s(y)=ι(ws(nx))を満たす語ws∈F(X)が存在する。また、x∈X、y∈Y、ε∈{1,−1}に対し、ι(N)⊴Eであるから、
yει(nx)y−ε=ι(vy,ε,x(nx))を満たす語vy,ε,x∈F(X)が存在する。有限表示
P=⟨X⊔Y R, sws−1 (s∈S),yεxy−εvy,ε,x−1 (y∈Y, x∈X, ε∈{1,−1})⟩を定める。§E7.9 定理 3.2により、x↦ι(nx)、y↦yは準同型p:P→Eを定める。同じ普遍性により、xの標準生成元への対応は準同型a:N→Pを定め、p∘a=ιとなる。
L=a(N)とおく。LはXの標準生成元の像が生成する部分群である。正負の共役関係により、任意のy∈Yに対してyLy−1⊆Lとy−1Ly⊆Lが成り立つ。よってyLy−1=Lである。X⊔YがPを生成するので、L⊴Pである。
P/LではXの像がすべて単位元であるから、Yの像はSの関係式を満たす。§E7.9 定理 3.2により、qyをyLへ移す準同型b:Q→P/Lが存在する。π∘pから誘導される準同型c:P/L→QはyLをqyへ移す。生成元上でcbとbcは恒等写像に一致するから、bとcは互いに逆の同型である。補題 2.2によりpは同型であり、Eは有限表示群である。▨
3 有限指数部分群
補題 3.1. 群Gの生成集合Sと部分群H≤Gを取る。右剰余類の代表集合Tを1∈Tとなるように取り、g∈Gに対してHg=Hgを満たす唯一のg∈Tを定める。このときHは
{txtx−1∣t∈T, x∈S∪S−1}によって生成される。
証明.Htx=Htxであるからtxtx−1∈Hである。任意のh∈Hをh=x1⋯xm、xi∈S∪S−1と書く。t0=1とし、ti=ti−1xiと定める。帰納的にHti=Hx1⋯xiであるから、tm=h=1である。したがって
h=(t0x1t1−1)(t1x2t2−1)⋯(tm−1xmtm−1)であり、各因子は指定された集合に属する。m=0のときは空積がh=1を与える。▨
補題 3.2. 群F、部分群K≤F、正規部分群L⊴Fを取り、L⊆Kと仮定する。Lが集合R⊆LのFにおける正規閉包であり、Tが右剰余類K\Fの代表集合ならば、Lは
{trt−1∣t∈T, r∈R}のKにおける正規閉包である。
証明. 任意のt∈Tとr∈Rに対してtrt−1∈L⊆Kである。指定された集合のKにおける正規閉包をMとすると、L⊴KによりM⊆Lである。RのFにおける正規閉包は、fr±1f−1、f∈F、r∈Rの有限積全体である。この有限積全体はRを含む正規部分群であり、Rを含む任意の正規部分群に含まれるからである。任意のf∈Fをf=kt、k∈K、t∈Tと書くと、
fr±1f−1=k(trt−1)±1k−1∈Mである。したがってL⊆Mとなり、L=Mである。▨
定理 3.3. 群Gと有限指数の部分群H≤Gに対し、次が成り立つ。
- Gが有限生成ならば、Hは有限生成である。
- Gが有限表示ならば、Hは有限表示である。
証明.Gの有限生成集合Sを取る。右剰余類と左剰余類はgH↦Hg−1によって一対一に対応するので、右剰余類代表集合Tは有限である。補題 3.1が与える生成集合は有限であり、(1)が成り立つ。
G≅⟨S∣R⟩を有限表示とし、q:F(S)→Gを対応する全射とする。K=q−1(H)、L=kerq=⟨⟨R⟩⟩とおく。写像fK↦q(f)HはF(S)/KとG/Hの左剰余類集合の間の全単射である。よって[F(S):K]=[G:H]は有限であり、§E7.27 定理 4.2によりKは有限自由基底Bをもつ。KのF(S)における右剰余類代表集合Tを取ると、補題 3.2によりLは有限集合
A={trt−1∣t∈T, r∈R}のKにおける正規閉包である。K≅⟨B∣∅⟩は有限表示群なので、命題 2.1によりK/Lは有限表示群である。qのKへの制限はHへの全射で核がLであり、§E7.16 命題 1.2によりK/L≅Hである。したがって(2)が成り立つ。▨
命題 3.4.Gを有限生成群、d≥1を整数とする。このとき、指数dの部分群H≤Gは有限個しかない。
証明.Gの生成集合の個数をkとし、Sdを集合{1,…,d}の置換群とする。準同型ρ:G→Sdは生成元上の値で一意に定まるから、準同型の個数は(d!)k以下である。任意の指数dの部分群Hに対し、左剰余類集合G/Hに番号を付ける。左乗法の作用は準同型ρ:G→Sdを定める。剰余類Hの番号をjとすると、
H={g∈G∣ρ(g)(j)=j}である。したがって指数dの部分群は、準同型ρと番号jの組から得られる部分群の集合に含まれる。その組は高々d(d!)k個であるから、指数dの部分群は有限個である。▨