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凱萊圖與字度量

把群變成一張你能在上面行走的圖。頂點是元素,邊是生成元,最短路徑成為距離——群從此是一個度量空間。

把群畫出來

固定一個群 G 與生成集 S(設 S = S⁻¹ 以保對稱)。凱萊圖 Cay(G, S) 對每個元素 g ∈ G 設一個頂點,並對每個 s ∈ S 從 g 到 gs 連一條邊。乘一個生成元就是一步。結果是連通圖——之所以連通正因 S 生成——它是本學科最重要的一幅畫。群透過乘作用在自己的凱萊圖上,且此作用是圖自同構。

Three Cayley graphs to hold in your head:

  G = Z,    S = {+1, -1}      Cay = the infinite line  ... -2 -1 0 1 2 ...

  G = Z^2,  S = {+/-e1, +/-e2} Cay = the infinite square grid

  G = Z/6Z, S = {+1, -1}      Cay = a hexagon (6-cycle)

  G = F_2 = <a,b|>            Cay = the infinite 4-valent TREE
                              (no loops at all -- there are no relations,
                               so no closed paths except backtracking)

A relator of length n in the presentation = a closed loop of length n in Cay.
No relators  <=>  no loops  <=>  a tree.
關係子即環路。自由群的凱萊圖是樹,因為它沒有關係子。

字度量

現在把它做成度量空間。字度量 d_S(g, h) 是凱萊圖中從 g 到 h 的最短路徑長度——等價地是從 g 到 h 所需相乘的最少生成元個數。字長 |g| = d_S(1, g) 從單位元度量 g。這是真正的度量:滿足三角不等式,且關鍵在於左不變,對一切 x 有 d_S(g, h) = d_S(xg, xh),因為左乘是一種對稱。群從此是一個空間,可以談球、測地線和距離。

  1. 選取滿足 S = S⁻¹ 的生成集;這使 d 對稱。
  2. 定義 |g| = 滿足 g = s₁⋯s_k(各 sᵢ ∈ S)的最小 k;並令 |1| = 0。
  3. 令 d_S(g, h) = |g⁻¹h|;由 |xy| ≤ |x| + |y| 驗證三角不等式。
  4. 驗證左不變性:d_S(xg, xh) = |(xg)⁻¹(xh)| = |g⁻¹h| = d_S(g, h)。