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Función Dehn

En la materia matemática de la teoría geométrica de grupos , una función de Dehn , llamada así por Max Dehn , es una función óptima asociada a una presentación de grupo finito que limita el área de una relación en ese grupo (que es una palabra libremente reducida en los generadores que representan el elemento identidad del grupo) en términos de la longitud de esa relación (ver págs. 79-80 en [1] ). El tipo de crecimiento de la función de Dehn es un invariante cuasi-isométrico de un grupo presentado finitamente . La función de Dehn de un grupo presentado finitamente también está estrechamente relacionada con la complejidad algorítmica no determinista del problema verbal en grupos. En particular, un grupo presentado finitamente tiene un problema verbal solucionable si y solo si la función de Dehn para una presentación finita de este grupo es recursiva (ver Teorema 2.1 en [1] ). La noción de una función de Dehn está motivada por problemas isoperimétricos en geometría, como la desigualdad isoperimétrica clásica para el plano euclidiano y, de manera más general, la noción de una función de área de llenado que estima el área de una superficie mínima en una variedad de Riemann en términos de la longitud de la curva límite de esa superficie.

Historia

La idea de una función isoperimétrica para un grupo finitamente presentado se remonta al trabajo de Max Dehn en la década de 1910. Dehn demostró que el problema verbal para la presentación estándar del grupo fundamental de una superficie orientada cerrada de género al menos dos es solucionable mediante lo que ahora se llama algoritmo de Dehn . Una consecuencia directa de este hecho es que para esta presentación la función de Dehn satisface Dehn( n ) ≤ n . Este resultado fue extendido en la década de 1960 por Martin Greendlinger a grupos finitamente presentados que satisfacen la condición de cancelación pequeña C'(1/6) . [2] La noción formal de una función isoperimétrica y una función de Dehn tal como se utiliza hoy apareció a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990 junto con la introducción y el desarrollo de la teoría de grupos hiperbólicos verbales . En su monografía de 1987 "Grupos hiperbólicos" [3] Gromov demostró que un grupo finitamente presentado es hiperbólico en palabras si y solo si satisface una desigualdad isoperimétrica lineal, es decir, si y solo si la función de Dehn de este grupo es equivalente a la función f ( n ) = n . La prueba de Gromov se basó en gran parte en la analogía con las funciones de área de llenado para variedades compactas de Riemann , donde el área de una superficie mínima que limita una curva cerrada homotópica nula está limitada en términos de la longitud de esa curva.

El estudio de las funciones isoperimétricas y de Dehn se convirtió rápidamente en un tema principal independiente en la teoría geométrica de grupos , especialmente porque los tipos de crecimiento de estas funciones son invariantes cuasi-isométricas naturales de grupos finitamente presentados. Uno de los principales resultados en el tema fue obtenido por Sapir, Birget y Rips , quienes demostraron [4] que la mayoría de las funciones de complejidad temporal "razonables" de las máquinas de Turing pueden realizarse, hasta la equivalencia natural, como funciones de Dehn de grupos finitamente presentados.

Definición formal

Dejar

sea ​​una presentación de grupo finito donde X es un alfabeto finito y donde R  ⊆  F ( X ) es un conjunto finito de palabras reducidas cíclicamente.

Área de una relación

Sea w  ∈  F ( X ) una relación en G , es decir, una palabra libremente reducida tal que w  = 1 en G . Nótese que esto es equivalente a decir que w pertenece a la clausura normal de R en F ( X ), es decir, existe una representación de w como

   (♠)

donde m  ≥ 0 y donde r i  ∈  R ± 1 para i  = 1, ...,  m .

Para w  ∈  F ( X ) que satisface w  = 1 en G , el área de w con respecto a (∗), denotada Área( w ), es la más pequeña m  ≥ 0 tal que existe una representación (♠) para w como el producto en F ( X ) de m conjugados de elementos de R ± 1 .

Una palabra libremente reducida w  ∈  F ( X ) satisface w  = 1 en G si y solo si el bucle etiquetado por w en el complejo de presentación para G correspondiente a (∗) es homotópico nulo . Este hecho se puede utilizar para demostrar que Área( w ) es el número más pequeño de 2 celdas en un diagrama de van Kampen sobre (∗) con ciclo límite etiquetado por w .

Función isoperimétrica

Una función isoperimétrica para una presentación finita (∗) es una función monótona no decreciente

de modo que siempre que w  ∈  F ( X ) sea una palabra libremente reducida que satisfaga w  = 1 en G , entonces

Área ( w ) ≤  f (| w |),

donde | w | es la longitud de la palabra w .

Función Dehn

Entonces la función Dehn de una presentación finita (∗) se define como

De manera equivalente, Dehn( n ) es la función isoperimétrica más pequeña para (∗), es decir, Dehn( n ) es una función isoperimétrica para (∗) y para cualquier otra función isoperimétrica f ( n ) tenemos

Dehn( n ) ≤  f ( n )

para cada n  ≥ 0.

Tipos de crecimiento de funciones

Como la función Dehn exacta generalmente depende de la presentación, normalmente se estudia su tipo de crecimiento asintótico a medida que n tiende a infinito, lo que solo depende del grupo.

Para dos funciones monótonas y no decrecientes

Se dice que f está dominada por g si existe C  ≥1 tal que

para cada entero n  ≥ 0. Digamos que f  ≈  g si f está dominada por g y g está dominada por f . Entonces ≈ es una relación de equivalencia y las funciones de Dehn y las funciones isoperimétricas se estudian habitualmente hasta esta relación de equivalencia. Así, para cualquier a,b > 1 tenemos a n  ≈  b n . De forma similar, si f ( n ) es un polinomio de grado d (donde d  ≥ 1 es un número real) con coeficientes no negativos, entonces f ( n ) ≈  n d . Además, 1 ≈  n .

Si una presentación de grupo finito admite una función isoperimétrica f ( n ) que es equivalente a una función lineal (respectivamente, cuadrática, cúbica, polinómica, exponencial, etc.) en n , se dice que la presentación satisface una desigualdad isoperimétrica lineal (respectivamente, cuadrática, cúbica, polinómica, exponencial, etc.) .

Propiedades básicas

En particular, esto implica que la solubilidad del problema verbal es un invariante cuasi-isométrico para grupos presentados finitamente .

Ejemplos

satisface Dehn( n ) ≤  n y Dehn( n ) ≈  n .
tiene Dehn( n ) ≈ 2 n (ver [7] ).
satisface una desigualdad isoperimétrica cúbica pero no cuadrática. [8]
,
donde k  ≥ 2, satisfacen desigualdades isoperimétricas cuadráticas. [9]
tiene una función Dehn que crece más rápido que cualquier torre iterada fija de exponenciales. Específicamente, para este grupo
Dehn( n ) ≈ exp(exp(exp(...(exp(1))...)))
donde el número de exponenciales es igual a la parte integral de log 2 ( n ) (ver [1] [11] ).

Resultados conocidos

Generalizaciones

Véase también

Notas

  1. ^ abcd SM Gersten, Funciones isoperimétricas e isodiamétricas de presentaciones finitas. Teoría de grupos geométricos, vol. 1 (Sussex, 1991), págs. 79-96, London Math. Soc. Lecture Note Ser., 181, Cambridge University Press , Cambridge, 1993.
  2. ^ Martin Greendlinger, Algoritmo de Dehn para el problema verbal. Communications on Pure and Applied Mathematics, vol. 13 (1960), págs. 67–83.
  3. ^ abc M. Gromov, Grupos hiperbólicos en: "Ensayos sobre teoría de grupos" (GM Gersten, ed.), MSRI Publ. 8, 1987, págs. 75-263. ISBN  0-387-96618-8 . MR 0919829
  4. ^ M. Sapir, J.-C. Birget, E. Rips. Funciones isoperimétricas e isodiamétricas de grupos . Annals of Mathematics (2), vol. 156 (2002), n.º 2, págs. 345–466.
  5. ^ Juan M. Alonso, Inégalités isopérimétriques et quasi-isométries. Cuentas Rendus de l'Académie des Sciences, Serie I, vol. 311 (1990), núm. 12, págs. 761–764.
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  7. ^ SM Gersten, Funciones de Dehn y normas l 1 de presentaciones finitas . Algoritmos y clasificación en teoría de grupos combinatorios (Berkeley, CA, 1989), págs. 195-224, Math. Sci. Res. Inst. Publ., 23, Springer, Nueva York, 1992. ISBN 0-387-97685-X . 
  8. ^ abc DBA Epstein , JW Cannon , D. Holt, S. Levy, M. Paterson, W. Thurston. Procesamiento de textos en grupos . Jones and Bartlett Publishers, Boston, MA, 1992. ISBN 0-86720-244-0 MR 1161694 
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Lectura adicional

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