给每个顶点一条标为 a 的出边、一条标为 b 的出边,沿词 a b 就能连续走两步。但要让这张图真正成为两个圆的覆叠,还须能唯一倒着走:每个标签的入边也必须恰有一条。Schreier图把这项局部要求直接编码成置换。
形式陈述
每个生成元是一种可逆步子
设 F ( S ) 是以集合 S 为基的自由群 理路 自由群 Free group · 自由群构造 除群公理强制的逆元约消外不带任何关系,并由生成集映射的唯一延拓刻画的群。 ,它在非空集合 V 上有右群作用 理路 群作用 Group action 群元素以保持单位元与乘法的方式作用于集合。 。对每个 s ∈ S ,记对应置换为 σ s ( v ) = v ⋅ s 。
Schreier图 取 V 为顶点集。对每个有序数据 ( v , s ) ∈ V × S ,放置一条独立的有向正边
标 签 为 e ( v , s ) : v ⟶ σ s ( v ) , 标签为 s . 每条边还允许反向行走,反向标签为 s − 1 。反向行走不是再加入一条独立正边。图允许自环、平行边及无限顶点;这里不能用简单无向图的无序顶点对来保存边。
令 R S 为每个生成元对应一个圆、所有圆共用一个顶点的玫瑰图。将每条 e ( v , s ) 按相同方向同胚映到 R S 的 s 圆,得到
p : Γ → R S . 赋予这些图标准的一维CW拓扑 理路 CW 复形 CW complex 通过按维粘贴开胞腔逐层构造,并满足闭包有限性与弱拓扑条件的空间。 后,p 是覆叠映射 理路 覆叠空间 Covering space 连续满射在底空间每一点邻域上分解为若干互不相交的同胚片。 。图的连通分量正是作用的轨道;当 | V | = n < ∞ 时,这是 n 层覆叠。
子群的陪集图
对任意 H ≤ F ( S ) ,取右陪集集合 V = H ∖ F ( S ) ,用右乘作用
( H g ) ⋅ s = H g s . 这给出一张连通Schreier图,基点为陪集 H 。从基点读完词 w 后到达 H w ,所以
在 基 点 处 读 成 闭 合 边 路 w ∈ H ⟺ w 在基点处读成闭合边路 . 相应覆叠诱导的基本群像恰为 H 。反过来,对任意传递作用选一个顶点,其稳定子恢复出同样的陪集描述。
直觉
顶点附近要同时保存正反方向
在玫瑰图的公共顶点附近,每个圆贡献两个不同的半边方向:一个正向离开,一个反向离开。上层顶点 v 有唯一正向 s 边,因为输入给出了 σ s ( v ) ;它也有唯一反向 s − 1 边,因为 σ s 为双射,唯一入边来自 σ s − 1 ( v ) 。
因此两边的所有带标签半边一一对应。取每条圆两端各一小段组成的开星形邻域,它的完整逆像按各个顶点分成互不相交的开星,每一个都同胚地投影到底部开星。边内部则直接由开区间的复制片覆盖。这验证的是整个逆像的均匀分片,而不只是某条边上的局部可逆。
即使一条边是自环,其两个端部仍是两个不同半边方向。若 S 或 V 无限,同样按每条边的小区间作图册,并用CW的逐胞腔拓扑判断开性;有限图的数组存储与边数估算才需要另加有限性。
为什么退一步会回到原位置
若先读 s ,再读 s − 1 ,第二步沿刚才那条边反向返回。每个标签的唯一性排除了选错另一条同标签入边的可能。因此删除相邻 s s − 1 不改变终点,任意词的终点只依赖它在自由群中的约化元素。
对陪集图,从 H 出发按代表词 g 行走便到达 H g ,所以它连通。一般作用的两个顶点可由边路连接,当且仅当一个可由某个自由词作用到另一个,正是位于同一轨道。
纤维单值化 理路 覆叠的单值化作用 Monodromy action of a covering · Covering monodromy · 覆叠的纤维作用 由回路提升定义纤维上的右作用,固定路径拼接与置换复合次序,并用轨道、稳定子和陪集分别识别连通分量、闭提升与覆叠层数。 将这张图上的回路提升恢复为原来的右作用,因此稳定子与闭提升子群吻合。拓扑图中的回路也可按相邻小星和边区间细分,端点固定同伦到有限边路;读词并非只检查一类特别画得整齐的回路。
例子与边界
三个顶点、六条正边
取 S = { a , b } 、V = { 1 , 2 , 3 } ,规定
σ a = ( 12 ) , σ b = ( 123 ) . 全部正边是:
起点
标签
终点
1
a
2
2
a
1
3
a
3
1
b
2
2
b
3
3
b
1
前两条 a 边是两条不同的区间:一条正向从1到2,另一条正向从2到1。它们不是同一条边的两种行走方向,因为后一种应带标签 a − 1 。第三条 a 边为自环,另外三条 b 边形成有向三角形。
每个顶点恰有一个 a 出口、一个 a 入口、一个 b 出口和一个 b 入口,因此每个小星都正确覆盖底部四个方向。图连通,总层数为三。
从基点1读 b a ,先到2再回1;读 a b ,先到2再到3。若 H 为基点稳定子,则 b a ∈ H 而 a b ∉ H 。又有 b − 1 ( b a ) b = a b ,说明 H 非正规。这是在完整图上核验的子群区别,不是仅凭图画不对称作判断。
图片加载失败 图中两条相反的 a 正边分别编号,b 1 , b 2 只因被选作树边而涂绿,标签仍是 b 。一条正边的反向行走没有再画一条新边。
两种常见的错误压缩
若将两条相反的正向 a 边折成一条无向边,顶点1就只剩一个相关半边,无法同时覆盖底部的 a 和 a − 1 两个方向。画面虽然更简洁,却已经改变覆叠。
若只规定每个标签有一条出边,但允许两点都指向同一终点,则入边不再唯一。例如在两个顶点上规定 a : 1 ↦ 2 , 2 ↦ 2 ,顶点1没有 a 入边,顶点2有两条。它描述一个非可逆的状态转移,不能定义自由群作用,也不能按上述投影成为覆叠。
一个无限陪集图仍可局部完整
考虑同态 F ( a , b ) → Z ,令 a ↦ 1 , b ↦ 0 ,取其核 H 。右陪集可由整数 k 标记:a 边从 k 到 k + 1 ,每个顶点另有一条 b 自环。
这是一条双向无限延伸的线,每个整数点挂一个圆。每个顶点的四个方向仍与底部一一对应,所以它是无限层覆叠;无穷层数没有破坏局部覆叠条件。词属于 H 恰好表示 a 的指数和为零,而不是要求整个自由词约化为空。
推论与应用
从有限置换表作可检查的输入验证
若有 n 个顶点、r 个生成元,先检查每张表是否为 { 1 , … , n } 的置换,再同时保存逆表。需要 O ( n ( r + 1 ) ) 次数组操作和存储;得到 n r 条独立正边。每条自环也算一条边,两个同端点的平行边分别计数。
读长度为 m 的词只需 m 次查表。遍历生成元及逆元边可求所有轨道,成本 O ( n ( r + 1 ) ) 。这给有限指数子群一个直接的成员判定证书,但不能声称任意以无限方式指定的子群都已经附带这样一张有限表。
比较两张图必须同时重标记全部生成元
设两份表为 σ s 与 τ s 。顶点双射 c 给出保持边标签的图同构,当且仅当
对 每 个 c ∘ σ s = τ s ∘ c 对每个 s ∈ S . 若还要求基点保持,就再加 c ( v 0 ) = w 0 。同一双射必须用于所有表,这与覆叠分类 理路 覆叠空间的子群分类 Classification of covering spaces · Subgroup classification of connected coverings · 覆叠分类定理 在明确局部条件下把带基点连通覆叠与基本群子群双向对应,构造每个子群的覆叠,并区分忘基点的共轭分类、覆叠同构和总空间同胚。 的基点层次一致。
固定一张图时,上式成为 c σ s = σ s c ,并使顶点置换按边参数唯一延伸为覆叠变换。对三顶点例,能同时与 ( 12 ) 、( 123 ) 交换的只有恒等置换,所以其Deck群平凡。
进一步选择生成树后,Nielsen–Schreier定理 理路 Nielsen–Schreier 定理与自由基重写 Nielsen–Schreier theorem · Nielsen-Schreier theorem · Schreier index formula 用Schreier图生成树构造任意自由群子群的自由基,建立可逆的读词重写证明,并在有限指数时推出秩公式及完整三层算例。 为每条非树正边赋一个闭词,并证明这些词自由生成 H 。三顶点六边例将得到四个自由基元;边数与生成树数目在这一步才承担秩计算,而不能在尚未验证覆叠和连通性前直接套公式。
参考资料