字度量

✍ dations ◷ 2025-06-06 19:59:35 #群论

群论中,字度量是在群上的一种度量,就是一个方法去量度群中两个元素之间的距离。给出群 G {\displaystyle G} 的生成集 S {\displaystyle S} ,每个元素都可以用 S {\displaystyle S} 写成很多个不同的字。例如设 G {\displaystyle G} 是所有整数组成的群 ( Z , + ) {\displaystyle (\mathbb {Z} ,+)} ,取 S = { ± 1 } {\displaystyle S=\{\pm 1\}} ,3就可以写成1+1+1,或者-1+1+1-1+1+1+1等字。每个字用了多少个 S {\displaystyle S} 的元素,这就是字的长度,例如1+1+1的长度是3,-1+1+1-1+1+1+1的长度是7。可以用英文字来比喻:英文字的生成集是英文字母,字的长度就是字母的数目,如colour的长度是6,color的长度是5。

两个元素 g , h G {\displaystyle g,h\in G} 的字度量 d S ( g , h ) {\displaystyle d_{S}(g,h)} 定义为 g 1 h {\displaystyle g^{-1}h} S {\displaystyle S} 表示成的最短的字的长度。

两个元素的字度量,等于凯莱图 Γ ( G , S ) {\displaystyle \Gamma (G,S)} 中这两个元素的距离。

考虑整数群 ( Z , + ) {\displaystyle (\mathbb {Z} ,+)} 。若取生成集合 S = { ± 1 } {\displaystyle S=\{\pm 1\}} ,那么两个整数 m , n {\displaystyle m,n} 之间的字度量是 d S ( m , n ) = | m + n | {\displaystyle d_{S}(m,n)=\left|-m+n\right|}

若取另一个生成集合 S = { ± 2 , ± 3 } {\displaystyle S'=\{\pm 2,\pm 3\}} ,则 m {\displaystyle m} m + 1 {\displaystyle m+1} 之间的字度量 d S ( m , m + 1 ) = 2 {\displaystyle d_{S'}(m,m+1)=2} ,因为 m + ( m + 1 ) {\displaystyle -m+(m+1)} S {\displaystyle S'} 所能表示成的最短的字(3-2或-2+3)的长度为2。

从字度量的定义可以看出,群于自身的左乘作用 k g k g {\displaystyle k\cdot g\mapsto kg} 下,字度量不变:

(因为 ( k g ) 1 ( k h ) = g 1 h {\displaystyle (kg)^{-1}(kh)=g^{-1}h} 。)

一个群 G {\displaystyle G} 给出不同的生成集合,对应的字度量可以不同。不过,如果 G {\displaystyle G} 是有限生成的,则两个有限的生成集合 S 1 , S 2 {\displaystyle S_{1},S_{2}} 所给出的字度量是双利普希茨的,即存在常数 C > 1 {\displaystyle C>1} 使得对任何 g , h G {\displaystyle g,h\in G} 都有

证明如下: S 1 {\displaystyle S_{1}} 中的各元素用 S 2 {\displaystyle S_{2}} 表示成的字,其中最长的长度设为 C 1 {\displaystyle C_{1}} 。那么每个用 S 1 {\displaystyle S_{1}} 表示成的字,都可用 S 2 {\displaystyle S_{2}} 改写成不超过 C 1 {\displaystyle C_{1}} 倍的长度的字。故此

同样地,有

C {\displaystyle C} C 1 {\displaystyle C_{1}} C 2 {\displaystyle C_{2}} 的较大者,得出不等式。

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