组合与几何群论

尼尔森–施赖埃尔定理

取一个自由群——一个没有关系的群——然后看其中任意一个子群,无论选得多么古怪。尼尔森–施赖埃尔定理保证了一件干净的事:这个子群仍然是自由的。自由性是可遗传的。子群中没有潜伏的隐藏关系;『没有关系』这一性质从自由群完好地传给它所有的子群。

精确地说:自由群 F 的每个子群 H 本身都是自由群。当指数 [F : H] = n 有限且 F 有有限秩 r 时,施赖埃尔指数公式加以细化:此时 H 的秩为 1 + n(r − 1)。所以除非 n = 1 或 r = 1,自由群的有限指数子群的秩严格大于整个群——子群在秩上可以『更大』,这一现象在阿贝尔群中不可能发生。

最干净的证明是拓扑的,并且是几何群论的雏形。秩 r 的自由群是 r 个圆的楔和的基本群;子群 H 对应于该楔和的一个覆叠空间,它是一张图;而任何图的基本群都是自由的,其秩等于一减去欧拉示性数。尼尔森与施赖埃尔最初的组合证明(借助尼尔森变换与施赖埃尔陪集代表系)早于这一观点,但算出的是同样的答案。

在 F_2 = ⟨ a, b ⟩ 中,换位子群(指数无限,是到 Z × Z 之映射的核)是无限秩自由群,以换位子 [a^m, b^n] 为基。而偶长字构成的指数 2 子群是秩 1 + 2(2 − 1) = 3 的自由群。

F_2 的指数 2 子群是秩 3 的自由群——生成元比母群还多。

对任意(可能无限)秩子群的完整定理需要选择公理;事实上它在策梅洛–弗兰克尔集合论上等价于一条弱选择原理。