組合與幾何群論

群的端

在群的凱萊圖中走向無窮並問:你能朝多少種本質不同的方向逃逸?在直線上你可以走兩個方向,左或右——兩個端。在平面網格上所有遙遠的區域都從外側連通——只有一個端。端數所計的,是在刪去任一巨大但有限的部分後、看剩下什麼時,仍存在的通往無窮的連通『道路』數目。

精確地說,有限生成群 G 的端數,是對其凱萊圖所有有限子集 K,取 K 的補集中無限連通分支數目的上確界——這一量與生成集無關,且在擬等距下不變。Hopf 的一個卓越定理(經 Freudenthal 細化)表明答案總是 0、1、2 或無窮:沒有群恰有三個端。

每個取值都有結構含義。零端意味著群有限。兩端意味著群幾乎為無限循環(幾乎為 Z)。無窮多個端,由斯托林斯著名的分裂定理,意味著該群沿某個有限子群非平凡地分裂為合併自由積或 HNN 擴張——幾何迫使代數分解。單端是一般的、『在無窮處連通』的情形,包括 Z^2、曲面群以及人們遇到的大多數群。

Z 有兩個端(左與右)。Z^2 有一個端(網格在任何有限方框外都連通)。自由群 F_2 有無窮多個端——隨著你刪去越來越大的球,它的凱萊樹裂成越來越多的碎片。

端數:Z 為 2,Z^2 為 1,自由群為無窮多——絕不會恰為 3。

斯托林斯定理透過沿有限子群的分裂刻畫多於一個端的群;它支撐著『上同調維數為 1 的有限生成群是自由群』這一證明。