2.3
Presentazione di un gruppo tramite ge-
neratori e relazioni
Questa sezione si apre con una prima definizione di generatori, relazioni e presentazione di un gruppo. Successivamente ne viene data una definizione pi`u rigorosa in termini di gruppo quoziente e classi di equivalenza.
Definizione 2.3.1. Se S `e un sottospazio di un gruppo G, allora si dice che S genera G se ogni elemento di G pu`o essere scritto come prodotto di potenze positive e negative di elementi di S. Una condizione equivalente `e la seguente: S non `e contenuto in alcun sottogruppo proprio di G.
Esempio 2.3.2. Se G `e un gruppo ciclico di ordine n, G = {x, x2, x3, . . . , xn=
1}, allora lo spazio S = {x} genera G.
Se lo spazio S genera il gruppo G, alcuni prodotti di elementi di S possono essere uguali all’elemento identit`a di G. Ad esempio,
(a) se x ∈ S e x ∈ G, allora xx−1 = 1, perch`e G `e un gruppo;
(b) se G `e un gruppo ciclico di ordine n generato da {x}, allora xn = 1. Ogni prodotto di elementi di S che `e uguale all’identit`a `e chiamato relazione fra gli elementi dello spazio generatore S. Possiamo distinguere due tipi di relazione fra i generatori: relazione triviale, come ad esempio (a), che `e una diretta conseguenza degli assiomi per un gruppo e si ha con qualunque scelta di S e G; relazione non triviale, come ad esempio (b), che non `e una con- seguenza degli assiomi per un gruppo, ma dipende dalla particolare scelta di G e S. Queste nozioni ci conducono all’idea che possiamo completamente descrivere un gruppo elencando gli elementi dello spazio generatore S, e elen- cando le relazioni non triviali fra essi. Una descrizione del gruppo G di questo tipo `e chiamata una presentazione.
Definiamo ora in modo rigoroso che cos’`e una presentazione. Consideria- mo un insieme S e pensiamo gli elementi di S come simboli non commutativi. Utilizziamo ora questi simboli per formare delle parole, ossia delle espressioni della forma
ω = x1
1 x 2
2 · · · xnn,
dove xi ∈ S e i = ±1 (i simboli xi non sono necessariamente distinti).
In altri termini, dall’insieme S = {yj | j ∈ J} si ottiene un “alfabeto”
{yj, y−1j | j ∈ J}, che viene utilizzato per formare delle “parole”. Fra le
parole viene inclusa anche la parola vuota, che non contiene alcun simbolo. Una parola si dice ridotta se non contiene il simbolo x1 seguito dal simbolo
2.3 Generatori e Relazioni 2 Teorema di classificazione
ma x1x−1x1 non lo `e. A partire da una parola qualunque si pu`o ottenere una
parola ridotta cancellando le coppie del tipo x1x−1 e x−1x1. Due parole sono
da considerarsi uguali se e solo se le parole ridotte ottenute a partire da esse sono identiche, cio`e contengono gli stessi simboli nello stesso ordine.
Definizione 2.3.3. Sull’insieme delle parole formate con un dato alfabeto definiamo il prodotto ottenuto giustapponendo due parole ridotte (e riducen- do il risultato, se necessario). Con tale legge di composizione, l’insieme delle parole ridotte forma un gruppo G. La parola vuota `e l’elemento neutro, e l’inversa della parola ω = x1
1 x 2 2 · · · xnn `e data da ω−1 = x−n n · · · x −2 2 x −1 1 .
Il gruppo G si chiama gruppo libero generato da S. Se S `e un insieme finito che consiste di n elementi, il gruppo libero generato da S viene chiamato gruppo libero su n generatori.
Pu`o essere utile dare una descrizione dei gruppi liberi in termini di classi di equivalenza di parole. Consideriamo le seguenti operazioni sulle parole: (i) inserire xx−1 o x−1x (x ∈ S) in una parola;
(ii) cancellare xx−1 o x−1x (x ∈ S) da una parola.
Diremo che due parole ω e ω0 sono equivalenti se ω0 pu`o essere ottenuta da ω con un numero finito di operazioni del tipo (i) o (ii). Evidentemente ogni parola `e equivalente ad una parola ridotta. Il gruppo libero generato da S pu`o essere allora pensato come l’insieme delle classi di equivalenza di parole di S (con l’operazione di giustapposizione).
Definizione 2.3.4. Sia ora R un insieme di parole nell’alfabeto S e consi- deriamo le seguenti operazioni sulle parole:
(iii) inserire r o r−1 (r ∈ R) in una parola; (iv) cancellare r o r−1 (r ∈ R) da una parola.
Diremo ora che due parole ω e ω0 sono equivalenti se ω0 pu`o essere ottenuta da ω con un numero finito di operazioni del tipo (i), (ii), (iii), (iv). Si verifica immediatamente che ci`o definisce una relazione di equivalenza, e che l’insieme delle classi di equivalenza, con l’operazione di giustapposizione, forma un gruppo. Questo gruppo `e denotato con h S | R i e la coppia (S; R) viene detta una presentazione del gruppo. Gli elementi di S sono chiamati generatori del gruppo e quelli di R relazioni.
2.3 Generatori e Relazioni 2 Teorema di classificazione
Si osservi che una parola α in S pu`o essere uguale a 1 in h S | R i pur non appartenendo a R; tuttavia una tale parola pu`o essere ricondotta alla parola vuota con un numero finito di operazioni del tipo (i), (ii), (iii), (iv). In tale caso diremo che α `e una conseguenza delle relazioni in R. Ad esempio, xaybx−ay−b `e una conseguenza della relazione xyx−1y−1.
Osservazione 2.3.5. Si dice che un dato gruppo G `e presentato da (S; R) se G `e isomorfo al gruppo h S | R i. Ogni gruppo `e presentato da (SG; RG),
dove
SG = {g | g ∈ G}, RG = {(xy)1y−1x−1 | x, y ∈ G}
(per (xy)1 si intende il simbolo in S
G che rappresenta l’elemento xy di G).
Esempio 2.3.6. Il gruppo simmetrico Sn `e il gruppo formato dalle permu-
tazioni degli elementi dell’insieme {1, 2, . . . , n}. Sia σi la permutazione che
scambia l’i-esimo elemento con l’(i + 1)-esimo: tale permutazione si indica con σi = (i, i + 1) ed `e detta trasposizione elementare. Allora il sottospazio S
di Sn, S = {σi, i = 1, . . . , n − 1}, genera Sne si ha la seguente presentazione:
Sn = hσi = (i, i+1) | σ2i = 1, σiσj = σjσi (se j 6= i±1), σiσi+1σi = σi+1σiσi+1i.
Dimostrazione. Si veda [7], pag 52.
Sfruttando i concetti di generatori, relazioni e presentazione appena de- scritti, presentiamo ora due nozioni che ci saranno utili per capire i teoremi enunciati nelle sezioni successive: il prodotto libero di gruppi e l’abelianiz- zazione di un gruppo.
La definizione di generatore data per un sottospazio S di G pu`o essere estesa ad una famiglia {Gα}α∈J di sottogruppi di G.
Definizione 2.3.7. Sia G un gruppo. Se {Gα}α∈J `e una famiglia di sot-
togruppi di G, diciamo che questi gruppi generano G se ogni elemento x di G pu`o essere scritto come un prodotto finito di elementi dei gruppi Gα.
Questo significa che c’`e una sequenza finita (x1, . . . , xn), generalmente non
unica, di elementi dei gruppi Gα tale che x = x1· · · xn. Una tale sequenza
`
e chiamata parola (di lunghezza n) nei gruppi Gα; tale parola rappresenta
l’elemento x di G.
Definizione 2.3.8. Sia G un gruppo; sia {Gα}α∈J una famiglia di sottogrup-
pi di G che generano G. Supponiamo che Gα∩ Gβ contenga solo l’elemento
identit`a per ogni α 6= β. Diciamo che G `e il prodotto libero dei gruppi Gα se
per ogni x ∈ G, esiste un’unica parola ridotta nei gruppi Gα che rappresenta
x. In questo caso scriviamo
G =
∗
Y
α∈J