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11 ottobre 2020

Il lamplighter group

È noto dai corsi elementari di Algebra Lineare che un sottospazio di uno spazio vettoriale di dimensione finita è a sua volta di dimensione finita. 

Un risultato analogo non vale invece per i gruppi: un sottogruppo di un gruppo finitamente generato non è necessariamente finitamente generato. Un classico controesempio è il cosiddetto lamplighter group L, la cui costruzione andiamo ora a descrivere.

Consideriamo innanzitutto la somma diretta infinita B:=\bigoplus_{\mathbb{Z}}\mathbb{Z}_2 i cui elementi sono successioni doppiamente infinite (a_i)_{i \in \mathbb{Z}}=(\ldots, a_{-1}, \, a_0, \, a_1, \ldots) di elementi di \mathbb{Z}_2=\{\bar{0}, \, \bar{1} \}, tali che al più un numero finito di essi sia diverso da \bar{0}.
Lemma 1. Il gruppo B non è finitamente generato. 

Dimostrazione. B è abeliano e ogni suo elemento ha ordine 2. Ma un gruppo abeliano finitamente generato e tale che ogni elemento abbia ordine finito è necessariamente finito.  \square

Consideriamo ora l'omomorfismo di gruppi \varphi \colon \mathbb{Z} \to B dato dallo shift \varphi(n)(a_i)=a_{n+i} per ogni n, \, i \in \mathbb{Z}.  Esso permette di costruire il prodotto semidiretto L:=B \rtimes \mathbb{Z} che è un caso particolare di prodotto wreath ristretto (infatti, si ha L= \mathbb{Z}_2 \mathrm{wr}_{\mathbb{Z}} \mathbb{Z}) e una cui presentazione è data da L= \langle x_i, \, t \; | \; x_i^2=1, \; \;  [x_i, \, x_j]=1, \; \; tx_it^{-1} =x_{i+1}, \; \; i, \, j \in \mathbb{Z} \rangle Qui gli x_i sono i generatori di B e t è un generatore di \mathbb{Z} in notazione moltiplicativa, mentre le relazioni di coniugio esprimono il fatto che \varphi(1) \colon B \to B è l'automorfismo dato dallo shift di 1.

La presentazione di L descritta sopra ha infiniti generatori; tuttavia (e qui sta il punto cruciale)  i generatori di B, a parte uno di essi (diciamo x_0), sono superflui in quanto si ha t^i x_0 t^{-i}=x_i Pertanto, ponendo x:=x_0, possiamo riscrivere la presentazione di L come L=\langle x, \, t \; | \; x^2=1, \; \; [t^ixt^{-i}, \, t^j x t^{-j}]=1, \; \;  i, \, j \in \mathbb{Z}\rangle che può essere ulteriormente semplificata nel modo seguente L=\langle x, \, t \; | \; x^2=1, \; \; (t^kxt^{-k}x)^2=1, \; \;  k \in \mathbb{Z}\rangle Ciò mostra che L è finitamente generato. Tuttavia, esso contiene come sottogruppo il gruppo B, che non è finitamente generato per il Lemma 1. 

Osservazione1. L è finitamente generato ma non finitamente presentato. Infatti, la presentazione data ha due generatori e infinite relazioni, e si può mostrare che L non ammette nessuna presentazione finita.

Osservazione 2. B è normale in L, e ha indice infinito in esso. Infatti, è noto che un sottogruppo di indice finito di un gruppo finitamente generato è a sua volta finitamente generato.

Osservazione 3. Il nome "lamplighter group" ("gruppo del lampionaio") viene dal fatto che si può pensare agli elementi del  gruppo B=\bigoplus \mathbb{Z}_2 come ad successioni doppiamente infinite di lampioni, ciascuno dei quali può essere acceso (\bar{1}) o spento (\bar{0}) e tali che al più un numero finito di lampioni siano accesi insieme. Il generatore t del fattore \mathbb{Z} di L=B \rtimes \mathbb{Z} può essere identificato col lampionaio, la cui azione fa passare da ogni lampione al successivo.


Riferimenti.
[M2012] A. Machì, Groups (Springer 2012), Chapter 4.

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