組合與幾何群論

尼爾森–施賴埃爾定理

取一個自由群——一個沒有關係的群——然後看其中任意一個子群,無論選得多麼古怪。尼爾森–施賴埃爾定理保證了一件乾淨的事:這個子群仍然是自由的。自由性是可遺傳的。子群中沒有潛伏的隱藏關係;『沒有關係』這一性質從自由群完好地傳給它所有的子群。

精確地說:自由群 F 的每個子群 H 本身都是自由群。當指數 [F : H] = n 有限且 F 有有限秩 r 時,施賴埃爾指數公式加以細化:此時 H 的秩為 1 + n(r − 1)。所以除非 n = 1 或 r = 1,自由群的有限指數子群的秩嚴格大於整個群——子群在秩上可以『更大』,這一現象在阿貝爾群中不可能發生。

最乾淨的證明是拓撲的,並且是幾何群論的雛形。秩 r 的自由群是 r 個圓的楔和的基本群;子群 H 對應於該楔和的一個覆疊空間,它是一張圖;而任何圖的基本群都是自由的,其秩等於一減去歐拉示性數。尼爾森與施賴埃爾最初的組合證明(藉助尼爾森變換與施賴埃爾陪集代表系)早於這一觀點,但算出的是同樣的答案。

在 F_2 = ⟨ a, b ⟩ 中,換位子群(指數無限,是到 Z × Z 之映射的核)是無限秩自由群,以換位子 [a^m, b^n] 為基。而偶長字構成的指數 2 子群是秩 1 + 2(2 − 1) = 3 的自由群。

F_2 的指數 2 子群是秩 3 的自由群——生成元比母群還多。

對任意(可能無限)秩子群的完整定理需要選擇公理;事實上它在策梅洛–弗蘭克爾集合論上等價於一條弱選擇原理。