贡献者: JierPeter
给定没有赋予任何运算结构的任意集合 $S$,它的每个元素都可以作为一个字母。
字母就是纯粹的符号,除了 “指代一个元素” 以外没有更多的结构。没有更多结构当然没有研究的意义不过,所以我们考虑拓展字母的用途,比如把若干字母按顺序排列起来,得到新的元素。这种元素不同于字母,我们把它叫做 “词”。
单个字母也可以看成是特殊的词,这样一来,就可以把字的排列拓展成词之间的一种运算。两个词首尾相连,可以构成一个更大的排列,仍然是有限个字的排列,因此得到的还是词。
我们也常常省略运算符号 “$\cdot$”,这时 $lov$ 和 $ely$ 的连接运算就直接写成 $lovely$ 了,和运算的结果形式上一样,非常简练。
我们希望改进一下词集合和词运算,构造出一个群。为了做到这一点,我们首先需要扩展一下词集合。
字母的逆是用来满足群的 “逆元存在性” 的。如果一个词中出现某个字母和对应的逆字母相连接,那么它们就必须被 “消除”。比如说,$lsdd^{-1}l^{-1}m^{-1}m$ 被认为和 $lsl^{-1}$ 是相同的。特别地,对于任何字母 $x, y$,我们认为 $xx^{-1}$,$x^{-1}x$,$yy^{-1}$,$y^{-1}y$ 都是同一个词,称为空词(empty word)或空字。
有了这个规则,我们就可以构造出一个群了:
自由群的单位元就是空词。一个词的字母都取逆以后反序排列,就得到了这个词的逆元。比如说,$le^{-1}tter$ 的逆元素就是 $r^{-1}e^{-1}t^{-1}t^{-1}r^{-1}el^{-1}$。
自由群是结构复杂度最高的群,这是因为所有的群都可以看成某个自由群的商群,而商群是把原来的群中一些细节特征忽略掉的结果。这个结论是由以下定理保证的:
证明见例 5 。
考虑集合 $G$ 到群 $G$ 上的映射 $f:f(g)=g, \forall g\in G$,那么由 $f$ 拓展而来的同态 $\varphi$ 就是 $F(G)$ 到 $G$ 的满射。结合群同态基本定理(习题 2 )可推知,这意味着 $G$ 是 $f(G)$ 的商群。