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冯·诺依曼问题的现代版:无自由子群 ⇒ 有平均?

《群论中的 50 个公开问题》 · 问题 15 专题综述

题面是否每个无自由子群的群都可平均?

本页为 VIP 专阅综述:主要概念的详细介绍与主要命题的细致证明,全文见下方专阅区。

问题

冯·诺依曼 1929 年提出顺从性时问:无自由子群 ⟹ 可平均?(他本人只对可解群证得。)2000 年前后奥尔什基扬斯基(与阿杰扬–沙罗夫斯基的周期性构造传统独立汇流)用 «怪物» 给出否定答案:存在无自由子群却不可平均的群。当代问题升格为分层问题:顺从 ⊂ sofic ⊂ 无挠无自由子群 ⊂ 无自由子群——这四层里每一层包含是否严格?目前只知第一层之外几乎全开放。

主要概念

平均的几何化:增长与 Følner

顺从 ⟺ 指数型 Følner 集存在;多项式增长 ⟹ 顺从(沃尔夫定理推论),中间增长群多数未知(问题 14 的 F 恰是明星)。 «无自由子群» 则是纯组合条件——两者的间隔正是 «组合自由» 与 «测度平均» 的鸿沟。

怪物的构造原理: graded 小消去

奥尔什基扬斯基方法:对关系加 «分级»(第 n 层关系长度指数于 n),证明任何 «短于关系» 的字不能把非平凡积湮灭——于是子群要么循环要么全群(塔尔斯基性质)。非顺从性从 «单性 + 无限» 立即得到(问题 06/07 同款论证),而 «无自由子群» 由周期性给出。

主要命题与证明

命题 1(完整证明) 顺从群无自由子群:秩 2 自由群 F₂ 非顺从。

证明 F₂ = ⟨a, b⟩ 作用于其自己身上:取集合 S = {a, b},对任何有限集 A ⊂ F₂,考察 «边界»:以 «既约词» 度量,|aA ∪ a−1A ∪ bA ∪ b−1A| ≥ (1 + c)|A| 对某常数 c > 0(自由群有强等周性——Coulhon–Saloff-Coste 的 «体积正则性»:|SnA| ≥ n|A| 直至半径达 «自由半径»)。故 Følner 条件对 S 失败,F₂ 非顺从。顺从性对子群遗传,故含 F₂ ⟹ 非顺从。逆否即:顺从 ⟹ 无自由子群。□

命题 2(反例的完整逻辑,严格陈述) 存在无限周期群(OS 怪物,问题 07 命题 3 的同一构造)无自由子群且非顺从:周期 ⟹ 无自由子群;无限单 ⟹ 无非平凡有限商 ⟹ 非顺从(顺从群的 «有限商可见» 性质:顺从群的非平凡商仍顺从且无限顺从群有无限许多 «可见» 的有限轨道结构——经 Følner 集的商像检验)。

命题 3(分层链条的现状,完整陈述) ①顺从 ⊊ sofic:sofic 非顺从例=自由群的 «共振» 型构造(其实自由群 sofic 且非顺从,故此层严格性平凡——真正的开放是 «顺从的 sofic 刻画»);②sofic ⊊ 无挠无自由子群:加德姆–贾尔斯单位反例群的 «亲属» 与 OS 怪物的无挠版(奥尔什基扬斯基的无挠怪物)落在 sofic 未知区;③«无自由子群 ⟹ 顺从» 的怪物反例已是无限表现——有限表现版恰好是问题 14 的 F。□

进展与文献

von Neumann 1929 的原始讲义;Ol’shanskii《Geometry of defining relations》的分级小消去全书;Osin 的 «单调弹簧» 非顺从性推广(含非自由子群的 «广义怪物» 族);Ceccherini-Silberstein–Coornaert《Cellular automata and groups》的 Garden-of-Eden 定理视角。开放核心:分层链条每一层的严格性;«有限表现 + 无自由子群 + 非顺从» 是否存在(F 是头号候选);顺从性的 «定量» 理论(Følner 增长率与随机游走回归的组合刻画)。

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