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凯莱图与字度量

把群变成一张你能在上面行走的图。顶点是元素,边是生成元,最短路径成为距离——群从此是一个度量空间。

把群画出来

固定一个群 G 与生成集 S(设 S = S⁻¹ 以保对称)。凯莱图 Cay(G, S) 对每个元素 g ∈ G 设一个顶点,并对每个 s ∈ S 从 g 到 gs 连一条边。乘一个生成元就是一步。结果是连通图——之所以连通正因 S 生成——它是本学科最重要的一幅画。群通过乘作用在自己的凯莱图上,且此作用是图自同构。

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.
关系子即环路。自由群的凯莱图是树,因为它没有关系子。

字度量

现在把它做成度量空间。字度量 d_S(g, h) 是凯莱图中从 g 到 h 的最短路径长度——等价地是从 g 到 h 所需相乘的最少生成元个数。字长 |g| = d_S(1, g) 从单位元度量 g。这是真正的度量:满足三角不等式,且关键在于左不变,对一切 x 有 d_S(g, h) = d_S(xg, xh),因为左乘是一种对称。群从此是一个空间,可以谈球、测地线和距离。

  1. 选取满足 S = S⁻¹ 的生成集;这使 d 对称。
  2. 定义 |g| = 满足 g = s₁⋯s_k(各 sᵢ ∈ S)的最小 k;并令 |1| = 0。
  3. 令 d_S(g, h) = |g⁻¹h|;由 |xy| ≤ |x| + |y| 验证三角不等式。
  4. 验证左不变性:d_S(xg, xh) = |(xg)⁻¹(xh)| = |g⁻¹h| = d_S(g, h)。