Szabad csoport

A matematikában a G csoport szabad csoport, ha létezik egy olyan S részhalmaza G-nek, hogy G minden eleme pontosan egyféleképpen írható fel S elemeinek és azok inverzeinek véges szorzataként. (Az egyféleképp úgy értendő, hogy a st^-1 = su^-1ut^-1 jellegű „bővítésektől” eltekintünk.)

Egy kapcsolódó, de másmilyen fogalom a szabad Abel-csoport.

Az ${\displaystyle F_{S}}$ szabad csoport S generátorhalmazzal való létrehozásához tekintsük a következő algoritmust: Nevezzük szónak az S elemeibő és azok inverzeiből képzett szorzatokat. Például, ha S={a, b, c}, akkor az alábbi például egy szó:

${\displaystyle abc^{-1}ca^{-1}c\,}$

Ha egy ${\displaystyle s\in S}$ elem közvetlenül az inverze mellett szerepel, akkor a szó leegyszerűsíthető az s, s^-1 pár elhagyásával:

${\displaystyle abc^{-1}ca^{-1}c\;\;\longrightarrow \;\;ab\,a^{-1}c}$

Ha egy szó már nem egyszerűsíthető tovább, akkor redukáltnak nevezik. Az F_S szabad csoport ekkor definiálható az összes S-ből származtatott redukált szó összességeként.

Ennek pontos bevezetése:
Tekintsük az S-ből álló direktszorzatok unióját a következő módon: ${\displaystyle \bigcup _{i=1}^{n}\left(\times _{j=1}^{i}\left(S\right)\right)}$, így megkapjuk az összes legfeljebb n hosszú szót. Értelemszerűen a szavak hossza a direktszorzat komponenseinek száma legyen (pontos definíciója rekurzívan történik), valamint kiegészíthetjük az ún. üres szóval. Az „egymás után írás” műveletét úgy definiálhatjuk, hogy a direkt szorzatban hozzávesszük a második szó komponenseit, az üres szó esetén nem történik változás.

Ha kommutativitást is szeretnénk szabad csoportunkban, akkor két szó egyenlősége definiálható úgy is, hogy redukált szavaik csak a betűk sorrendjében különböznek. Természetesen ez is definiálható pontosan.

A szabad csoportok néhány tulajdonsága a definícióból közvetlenül adódik:

• Minden G csoport valamely F(S) szabad csoport homomorf képe, ahol S a generátorhalmaz. A természetes ${\displaystyle f:F(S)\to G}$ leképezés epimorfizmus. Ebből következik az állítás.
• Ha S több, mint egy elemmel rendelkezik, akkor F(S) nem kommutatív, azaz nem Abel-csoport.
• Két F(S), F(T) szabad csoport akkor és csak akkor izomorf, ha S és T számossága megegyezik. Ezt a számosságot nevezik a szabad csoport rangjának is. Így tehát minden k számossághoz, az izomorfizmus erejéig, pontosan egy szabad csoport létezik.

• Csoport
• Generátorhalmaz
• Cayley-gráf