Área de las matemáticas dedicada al estudio de grupos finitamente generados
La teoría de grupos geométricos es un área de las matemáticas dedicada al estudio de grupos generados finitamente mediante la exploración de las conexiones entre las propiedades algebraicas de dichos grupos y las propiedades topológicas y geométricas de los espacios en los que estos grupos pueden actuar de manera no trivial (es decir, cuando los grupos en cuestión se realizan como simetrías geométricas o transformaciones continuas de algunos espacios).
Otra idea importante en la teoría geométrica de grupos es considerar a los grupos finitamente generados como objetos geométricos. Esto se hace habitualmente estudiando los grafos de Cayley de los grupos, que, además de la estructura del grafo , están dotados de la estructura de un espacio métrico , dada por la llamada palabra métrica .
En la introducción a su libro Temas de teoría geométrica de grupos , Pierre de la Harpe escribió: "Una de mis creencias personales es que la fascinación por las simetrías y los grupos es una forma de hacer frente a las frustraciones de las limitaciones de la vida: nos gusta reconocer simetrías que nos permiten reconocer más de lo que podemos ver. En este sentido, el estudio de la teoría geométrica de grupos es parte de la cultura, y me recuerda varias cosas que Georges de Rham practicaba en muchas ocasiones, como enseñar matemáticas, recitar a Mallarmé o saludar a un amigo". [1] : 3
Historia
La teoría de grupos geométricos surgió de la teoría de grupos combinatorios que estudiaba en gran medida las propiedades de los grupos discretos mediante el análisis de las presentaciones de grupos , que describen a los grupos como cocientes de grupos libres ; este campo fue estudiado sistemáticamente por primera vez por Walther von Dyck , estudiante de Felix Klein , a principios de la década de 1880, [2] mientras que una forma temprana se encuentra en el cálculo icosiano de 1856 de William Rowan Hamilton , donde estudió el grupo de simetría icosaédrica a través del gráfico de aristas del dodecaedro . Actualmente, la teoría de grupos combinatorios como área está en gran parte subsumida por la teoría de grupos geométricos. Además, el término "teoría de grupos geométricos" llegó a incluir a menudo el estudio de grupos discretos utilizando enfoques probabilísticos, de teoría de la medida , aritméticos, analíticos y otros que se encuentran fuera del arsenal tradicional de la teoría de grupos combinatorios.
En la primera mitad del siglo XX, el trabajo pionero de Max Dehn , Jakob Nielsen , Kurt Reidemeister y Otto Schreier , JHC Whitehead , Egbert van Kampen , entre otros, introdujo algunas ideas topológicas y geométricas en el estudio de grupos discretos. [3] Otros precursores de la teoría geométrica de grupos incluyen la teoría de cancelaciones pequeñas y la teoría de Bass-Serre . La teoría de cancelaciones pequeñas fue introducida por Martin Grindlinger en la década de 1960 [4] [5] y desarrollada por Roger Lyndon y Paul Schupp . [6] Estudia los diagramas de van Kampen , correspondientes a presentaciones de grupos finitos, a través de condiciones de curvatura combinatoria y deriva propiedades algebraicas y algorítmicas de los grupos a partir de dicho análisis. La teoría de Bass-Serre, introducida en el libro de Serre de 1977, [7] deriva información algebraica estructural sobre grupos mediante el estudio de las acciones de grupo en árboles simpliciales . Los precursores externos de la teoría geométrica de grupos incluyen el estudio de redes en grupos de Lie, especialmente el teorema de rigidez de Mostow , el estudio de los grupos kleinianos y el progreso logrado en topología de baja dimensión y geometría hiperbólica en los años 1970 y principios de los años 1980, impulsados, en particular, por el programa de Geometrización de William Thurston .
El surgimiento de la teoría geométrica de grupos como un área distinta de las matemáticas se suele rastrear a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990. Fue estimulada por la monografía de 1987 de Mikhail Gromov "Grupos hiperbólicos" [8] que introdujo la noción de un grupo hiperbólico (también conocido como palabra-hiperbólico o Gromov-hiperbólico o grupo de curvatura negativa ), que captura la idea de un grupo finitamente generado que tiene una curvatura negativa a gran escala, y por su monografía posterior Invariantes asintóticos de grupos infinitos , [9] que describió el programa de Gromov para comprender los grupos discretos hasta la cuasi-isometría . El trabajo de Gromov tuvo un efecto transformador en el estudio de los grupos discretos [10] [11] [12] y la frase "teoría geométrica de grupos" comenzó a aparecer poco después. (ver por ejemplo [13] ).
Temas y desarrollos modernos
Los temas y desarrollos notables en la teoría de grupos geométricos en las décadas de 1990 y 2000 incluyen:
Programa de Gromov para estudiar propiedades cuasi-isométricas de grupos.
Un tema amplio particularmente influyente en el área es el programa de Gromov [14] de clasificación de grupos finitamente generados según su geometría de gran escala. Formalmente, esto significa clasificar grupos finitamente generados con su métrica de palabras hasta la cuasi-isometría . Este programa implica:
Teoremas de rigidez cuasi-isométrica, en los que se clasifican algebraicamente todos los grupos que son cuasi-isométricos con respecto a algún grupo o espacio métrico dado. Esta dirección fue iniciada por el trabajo de Schwartz sobre la rigidez cuasi-isométrica de redes de rango uno [18] y el trabajo de Benson Farb y Lee Mosher sobre la rigidez cuasi-isométrica de los grupos Baumslag-Solitar . [19]
La teoría de grupos hiperbólicos y relativamente hiperbólicos . Un desarrollo particularmente importante aquí es el trabajo de Zlil Sela en la década de 1990 que resultó en la solución del problema de isomorfismo para grupos hiperbólicos. [20] La noción de grupos relativamente hiperbólicos fue introducida originalmente por Gromov en 1987 [8] y refinada por Farb [21] y Brian Bowditch , [22] en la década de 1990. El estudio de los grupos relativamente hiperbólicos ganó prominencia en la década de 2000.
Interacciones con la lógica matemática y el estudio de la teoría de primer orden de grupos libres. Se produjeron avances particularmente importantes en las famosas conjeturas de Tarski , debido al trabajo de Sela [23] así como de Olga Kharlampovich y Alexei Myasnikov. [24] El estudio de los grupos límite y la introducción del lenguaje y la maquinaria de la geometría algebraica no conmutativa ganaron prominencia.
Interacciones con la informática, la teoría de la complejidad y la teoría de los lenguajes formales. Este tema se ejemplifica con el desarrollo de la teoría de grupos automáticos [25] , una noción que impone ciertas condiciones geométricas y teóricas del lenguaje a la operación de multiplicación en un grupo finitamente generado.
Estudio de las desigualdades isoperimétricas, funciones de Dehn y sus generalizaciones para grupos finitamente presentados. Esto incluye, en particular, el trabajo de Jean-Camille Birget, Aleksandr Olʹshanskiĭ, Eliyahu Rips y Mark Sapir [26] [27] que caracterizan esencialmente las posibles funciones de Dehn de grupos finitamente presentados, así como los resultados que proporcionan construcciones explícitas de grupos con funciones de Dehn fraccionarias. [28]
La teoría de descomposiciones torales o JSJ para 3-variedades fue introducida originalmente en un contexto de teoría de grupos por Peter Kropholler. [29] Esta noción ha sido desarrollada por muchos autores tanto para grupos finitamente presentados como finitamente generados. [30] [31] [32] [33] [34]
Conexiones con el análisis geométrico , el estudio de las C*-álgebras asociadas a grupos discretos y de la teoría de la probabilidad libre. Este tema está representado, en particular, por un progreso considerable en la conjetura de Novikov y la conjetura de Baum-Connes y el desarrollo y estudio de nociones relacionadas con la teoría de grupos, como la adaptabilidad topológica, la dimensión asintótica, la integrabilidad uniforme en espacios de Hilbert , la propiedad de decaimiento rápido, etc. (véase, por ejemplo, [35] [36] [37] ).
Interacciones con la teoría del análisis cuasiconformal en espacios métricos, particularmente en relación con la conjetura de Cannon sobre la caracterización de grupos hiperbólicos con límite de Gromov homeomorfo a la 2-esfera. [38] [39] [40]
Interacciones con la dinámica topológica en los contextos de estudio de acciones de grupos discretos en varios espacios compactos y compactificaciones de grupos, particularmente métodos de grupos de convergencia [42] [43]
Desarrollo de la teoría de acciones grupales sobre árboles (particularmente la máquina Rips ) y sus aplicaciones. [44]
El estudio de las acciones de grupo en espacios CAT(0) y complejos cúbicos CAT(0), [45] motivado por ideas de la geometría de Alexandrov.
Introducción de métodos probabilísticos para estudiar propiedades algebraicas de objetos teóricos de grupos "aleatorios" (grupos, elementos de grupo, subgrupos, etc.). Un desarrollo particularmente importante en este sentido es el trabajo de Gromov, quien utilizó métodos probabilísticos para demostrar [47] la existencia de un grupo finitamente generado que no es uniformemente integrable en un espacio de Hilbert. Otros desarrollos notables incluyen la introducción y el estudio de la noción de complejidad de casos genéricos [48] para algoritmos matemáticos teóricos de grupos y otros, y resultados de rigidez algebraica para grupos genéricos. [49]
El estudio de las propiedades de teoría de medidas de las acciones de grupo en espacios de medida , en particular la introducción y el desarrollo de las nociones de equivalencia de medida y equivalencia de órbita, así como las generalizaciones de teoría de medidas de la rigidez de Mostow. [52] [53]
Desarrollo de la teoría de Bass-Serre , en particular diversos resultados de accesibilidad [57] [58] [59] y la teoría de redes de árboles. [60] Generalizaciones de la teoría de Bass-Serre, como la teoría de complejos de grupos. [45]
El estudio de los recorridos aleatorios en grupos y la teoría de límites relacionada, en particular la noción de límite de Poisson (véase, por ejemplo, [61] ). El estudio de la amenabilidad y de los grupos cuyo estado de amenabilidad aún se desconoce.
Interacciones con la teoría de grupos finitos, particularmente avances en el estudio del crecimiento de subgrupos . [62]
Estudio de subgrupos y redes en grupos lineales , tales como , y de otros grupos de Lie, a través de métodos geométricos (por ejemplo, edificios ), herramientas algebro-geométricas (por ejemplo, grupos algebraicos y variedades de representación), métodos analíticos (por ejemplo, representaciones unitarias en espacios de Hilbert) y métodos aritméticos.
Cohomología de grupos , que utiliza métodos algebraicos y topológicos, que involucra particularmente la interacción con la topología algebraica y el uso de ideas de teoría Morse en el contexto combinatorio; métodos homológicos y cohomológicos de gran escala o burdos (ver, por ejemplo, [63] ).
Avances en temas tradicionales de teoría combinatoria de grupos, como el problema de Burnside , [64] [65] el estudio de los grupos de Coxeter y los grupos de Artin , etc. (los métodos utilizados actualmente para estudiar estas cuestiones suelen ser geométricos y topológicos).
Ejemplos
Los siguientes ejemplos se estudian a menudo en la teoría de grupos geométricos:
Grupos fuchsianos , grupos kleinianos y otros grupos que actúan de forma propiamente discontinua en espacios simétricos, en particular redes en grupos de Lie semisimples.
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Libros y monografías
Estos textos cubren la teoría de grupos geométricos y temas relacionados.
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Enlaces externos
Página de teoría de grupos geométricos de Jon McCammond
¿Qué es la teoría de grupos geométricos? Por Daniel Wise
Problemas abiertos en teoría combinatoria y de grupos geométricos