EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN 1. Preliminares sobre grupos Sea G un grupo. Denotaremos de forma multiplicativa la operación en G. Así, el producto de x, y ∈ G es x · y, y el inverso de x ∈ G es x−1 . Para el neutro usaremos e. Recordemos que un subgrupo de G es un subconjunto no vacío N ⊆ G que es un grupo con la operación de G. Esto lo denotamos N 6 G y equivale a lo siguiente: si x, y ∈ N , entonces x · y −1 ∈ N . SeTcomprueba enseguida que si {Ni }i∈I es una familia con Ni 6 G para cada i ∈ I, entonces i∈I Ni 6 G (el mayor subgrupo de G contenido en todos los Ni ). Si A ⊆ G es un subconjunto cualquiera, el subgrupo generado por A se define como: \ A = N. A⊆N 6G Diremos que A es un conjunto de generadores de A . Cuando A = ∅ se tiene que A = {e}. Es obvio que A es el menor subgrupo de G que contiene a A. Se puede dar una descripción explícita de A cuando A 6= ∅ mediante la igualdad: A = {ak11 · ak22 · . . . · akmm / m ∈ N, ai ∈ A, ki ∈ Z, ∀i = 1, . . . , m}, lo la terminología de “subgrupo generado por A”. Cuando A = {a} entonces que justifica A = a = {ak / k ∈ Z}, que es el subgrupo cíclico de G generado por a. Nota 1.1. Para probar la descripción de A dada arriba basta con ver que el conjunto de la derecha, que denotamos por N , es un subgrupo de G con A ⊆ N . Esto implica que A ⊆ N. La otra inclusión es inmediata al ser A 6 G y A ⊆ A . Dado N 6 G introducimos en G la siguiente relación: x ∼ y si x · y −1 ∈ N , es decir, existe z ∈ N tal que y = z · x. Esta relación es de equivalencia en G. La clase de equivalencia de x ∈ G, llamada clase lateral derecha asociada a x, está dada por: x = N x = {z · x / z ∈ N }. Nótese que e = N . Denotaremos por G/N al cociente G/ ∼. Para introducir una operación en G/N lo natural es definir: x · y = x · y. Es sabido que esta ley no depende de representantes cuando N es un subgrupo normal de G, es decir, x · z · x−1 ∈ N , para cada x ∈ G y z ∈ N . Esto se representa también como xN x−1 ⊆ N , para cada x ∈ G. Cuando N es un subgrupo normal de G escribimos N E G. En tal caso G/N se convierte en un grupo, cuyo neutro es e. Nótese que x = e, para cada x ∈ N , lo que significa que cada clase de equivalencia de x ∈ N produce el neutro en G/N . Además, la proyección p : G → G/N es un epimorfismo de grupos. Ejemplo 1.2. Todo grupo tiene al menos dos subgrupos normales triviales, que son N = {e} y N = G. Los cocientes asociados son isomorfos a G y {e}, respectivamente. Ejemplo 1.3. En un grupo abeliano todos los subgrupos son normales. 2 EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN Ejemplo 1.4. Si f : G → G0 es un homomorfismo de grupos, entonces Ker(f ) = f −1 (e0 ) es un subgrupo normal de G, y la aplicación f : G/Ker(f ) → Im(f ) dada por f (x) = f (x) es un isomorfismo de grupos. Por tanto, G/Ker(f ) ∼ = Im(f ) (primer teorema de isomorfía). Ejemplo 1.5. Es sabido que todos los subgrupos de Z son de la forma nZ = {nm / m ∈ Z}. Como Z es abeliano estos subgrupos son normales. El cociente Z/nZ se denota Zn y es un grupo cíclico de orden n generado por 1. Dado T G un grupo y {Ni }i∈I una familia con Ni E G para cada i ∈ I, entonces se cumple que i∈I Ni E G (el mayor subgrupo normal de G contenido en todos los Ni ). Si A ⊆ G es un subconjunto cualquiera, el subgrupo normal generado por A está dado por: \ N, Nor(A) = A⊆N EG Cuando A = ∅ tenemos Nor(A) = {e}. Algunas propiedades elementales de Nor(A) son: (i) (ii) (iii) (iv) Nor(A) es el menor subgrupo normal de G que contiene a A. A ⊆ Nor(A), con igualdad si y sólo si A E G. Si G es abeliano, entonces A = Nor(A). Nor( A ) = Nor(A). Se tiene la siguiente descripción explícita de Nor(A): Lema 1.6. Sea G un y A ⊆ G no vacío. Denotemos B = {x · a · x−1 / x ∈ G, a ∈ A}. grupo Entonces Nor(A) = B . Por tanto: −1 km Nor(A) = {x1 · ak11 · x−1 1 · . . . · xm · am · xm / m ∈ N, ai ∈ A, xi ∈ G, ki ∈ Z, ∀i = 1, . . . , m}, lo que justifica la terminología de “subgrupo normal generado” por A. Demostración. Sea N = B . Como Nor(A) E G y A ⊆ Nor(A), entonces B ⊆ Nor(A) y, por tanto N ⊆ Nor(A). Para la otra inclusión basta ver que N E G con A ⊆ N . Que A ⊆ N es obvio, pues A ⊆ B. Dado b ∈ B con b = x · a · x−1 y z ∈ G, se tiene: z · b · z −1 = z · (x · a · x−1 ) · z −1 = (z · x) · a · (z · x)−1 ∈ B. Esto significa que B es cerrado por conjugación. A partir de aquí es sencillo comprobar que N también lo es. Sea c ∈ N con c = bk11 · . . . · bkmm . Dado x ∈ G, nótese que: x · c · x−1 = x · bk11 · . . . · bkmm · x−1 = (x · bk11 · x−1 ) · . . . · (x · bkmm · x−1 ) = (x · b1 · x−1 )k1 · . . . · (x · bm · x−1 )km , que está en N por la descripción de B y por ser B cerrado para la conjugación. La descripción explícita de Nor(A) se sigue de la descripción de B sin más que tener en cuenta que (x · a · x−1 )k = x · ak · x−1 , para cada a ∈ A y x ∈ G. 1.1. Producto libre de grupos. A partir de una familia arbitraria de grupos definiremos otro grupo, en general no abeliano, que contenga copias isomorfas de cada uno de los grupos y que cumpla una propiedad universal de extensión de homomorfismos. Sea {Gi }i∈I una colección disjunta de grupos (esto significa que Gi ∩ Gj = ∅ si i 6= j, ∼ aunque puede S ocurrir Gi = Gj ). Denotamos por ei al neutro de cada Gi . Llamamos letra a cada x ∈ i∈I Gi . Llamamos palabra a una yuxtaposición finita de letras, es decir, una expresión formal w = x1 x2 · · · xn , donde n ∈ N ∪ {0} y cada xl está en algún Gil . El número n es la longitud de w. La palabra vacía 1 es la única con n = 0. Llamamos sílaba a cada palabra con n = 2. Sean w1 = x1 · · · xn y w2 = y1 · · · ym dos palabras. Diremos que w1 = w2 si n = m y xl = yl para cada l = 1, . . . , n. EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN 3 Ejemplo 1.7. Algunos ejemplos de palabras pueden ser x x x x, e2 e10 y x x−1 . Si x, y ∈ Gi con x 6= y, entonces, x y e y x no son sílabas iguales. Dos palabras w1 = x1 x2 · · · xn y w2 = y1 y2 · · · ym pueden operarse por yuxtaposición dando lugar a una nueva palabra w1 w2 = x1 x2 · · · xn y1 y2 · · · ym . Esta operación no produce una estructura de grupo en el conjunto de las palabras. Aunque es asociativa y tiene neutro (la palabra vacía), no tiene inversos. Intuitivamente, la inversa de una palabra w = x1 x2 · · · xn −1 debería ser x−1 n · · · x1 . Para conseguir esto debemos “reducir las palabras” de forma que una −1 sílaba x x se transforme en ei y todos los ei se eliminen. Diremos que una palabra w es reducida si w = 1 o w cumple dos reglas: (i) no contiene sílabas xk xk+1 cuyas letras están en el mismo grupo Gi , (ii) ninguna de sus letras es un neutro ei . Ejemplo 1.8. Supongamos que tenemos dos grupos G1 y G2 . Sean x1 , y1 ∈ G1 − {e1 } y x2 , y2 ∈ G2 − {e2 }. Entonces, la palabra x1 e1 x2 y2 no es reducida, mientras que x1 y2 y x2 y1 sí. La palabra x1 (x2 · y2 ) será reducida si y sólo si x2 · y2 6= e2 . Parece claro que toda palabra se puede “reducir” mediante dos operaciones de reducción: (i) reemplazar las sílabas xk xk+1 con xk , xk+1 ∈ Gi por la letra xk · xk+1 , (ii) eliminar todos los ei . Sin embargo, no es sencillo probar la unicidad de la palabra reducida a la que se llega. Sea W el conjunto de las palabras reducidas. Dadas w1 = x1 x2 · · · xn y w2 = y1 y2 · · · ym en W , su yuxtaposición w1 w2 = x1 x2 · · · xn y1 y2 · · · ym no tiene por qué ser reducida (el posible problema estaría en la sílaba xn y1 ). Para obtener una única palabra reducida a partir de la anterior realizamos operaciones de reducción como sigue: (i) Si la sílaba xn y1 no tiene sus letras en el mismo Gi , entonces ya se tiene una palabra reducida (por ser w1 y w2 reducidas). (ii) De lo contrario, se sustituye xn y1 por la letra xn · y1 . (iii) Si xn · y1 6= ei ya tenemos una palabra reducida (por ser w1 y w2 reducidas). (iv) Si xn · y1 = ei , eliminamos esta letra. (v) Nos fijamos en la sílaba xn−1 y2 y procedemos igual que arriba. Repitiendo este proceso una cantidad finita de veces se obtiene una única palabra reducida que denotamos w1 w2 . Así w1 w2 se calcula yuxtaponiendo primero y reduciendo después. Ejemplo 1.9. Supongamos que tenemos dos grupos G1 y G2 . Sean x1 , y1 ∈ G1 − {e1 } y x2 , y2 ∈ G2 − {e2 }. Es obvio que w1 = x1 x2 x−1 ∈ W y w2 = x1 x−1 ∈ W . Además 1 2 −1 −1 w1 w2 = x1 mientras que w2 w1 = x1 x2 x1 x2 x1 . Así w1 w2 6= w2 w1 . Es claro que define una operación en W . ¿Qué propiedades cumple? Lema 1.10. La operación convierte en grupo a W . Demostración. La operación tiene neutro, pues 1 w = w 1 = w, para cada w ∈ W . Ade−1 −1 más, hay inversos: si w = x1 x2 · · · xn es reducida, entonces w0 = x−1 n · · · x2 x1 es reducida y w w0 = w0 w = 1. La prueba de la asociatividad es más complicada. Dada una letra x ∈ Gi , el producto por la izquierda asociado a x es la aplicación Lx : W → W dada por Lx (w) = x w. Usando la asociatividad de Gi se prueba que Lx·y = Lx ◦Ly si x, y ∈ Gi . Además, Lei = IW . En particular, cada Lx es una biyección en W con inversa Lx−1 . Si P (W ) = {f : W → W biyectiva}, la 4 EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN aplicación Li : Gi → P (W ) dada por Li (x) = Lx está bien definida y es un homomorfismo de grupos. En general, definimos L : W → P (W ) como Lw = Lx1 ◦. . .◦Lxn si w = x1 · · · xn ∈ W . Definimos L1 = IW . Se cumplen estas propiedades: (i) L|Gi = Li , para cada i ∈ I. (ii) Lw1 w2 = Lw1 ◦ Lw2 , para cada w1 , w2 ∈ W . (iii) L es inyectiva: si Lw = Lw0 , entonces Lw (1) = Lw0 (1) y, por tanto, w = w0 . Supongamos ahora que w1 , w2 , w3 ∈ W . Si usamos (ii) tenemos: L(w1 w2 )w3 = Lw1 w2 ◦ Lw3 = (Lw1 ◦ Lw2 ) ◦ Lw3 = Lw1 ◦ (Lw2 ◦ Lw3 ) = Lw1 ◦ Lw2 w3 = Lw1 (w2 w3 ) , lo que implica por (iii) que (w1 w2 ) w3 = w1 (w2 w3 ). Definición 1.11. El grupo (W, ) es el producto libre de la familia {Gi }i∈I , denotado ∗i∈I Gi . Nota 1.12. Se debe destacar que ∗i∈I Gi no es en general abeliano aunque cada Gl lo sea. Ejercicio 1. ¿Qué es el producto libre asociado a un único grupo? ¿Y G1 ∗ {e2 }? Ejercicio 2. Demostrar que el producto libre de dos copias disjuntas de Z2 está formado por yuxtaposiciones finitas y alternadas de los dos generadores. Veamos que cada grupo Gl tiene una copia isomorfa en ∗i∈I Gi . Dado x ∈ Gl podemos considerar la palabra reducida w = x en ∗i∈I Gi . Cuando x = el entonces asociamos w = 1. Esto produce un monomorfismo de grupos hl : Gl → ∗i∈I Gi , cuya imagen es un subgrupo isomorfo a Gl (formado por las letras de Gl y la palabra vacía). Nótese que, aunque los grupos Gl son disjuntos, sus copias isomorfas dentro de ∗i∈I Gi no lo son (todas contienen a 1). La propiedad universal de ∗i∈I Gi establece que una familia de homomorfismos saliendo de los factores Gl se extiende de forma única a un homomorfismo sobre el producto libre. Lema 1.13 (Propiedad universal del producto libre). Sea {Gi }i∈I una familia disjunta de grupos y fl : Gl → G una familia de homomorfismos que llegan a un grupo G. Entonces, existe un único homomorfismo de grupos f : ∗i∈I Gi → G con f ◦ hl = fl para cada l ∈ I. Demostración. Probemos primero la existencia. Sea w = x1 x2 · · · xn una palabra cualquiera. Definimos f (w) = fi1 (x1 )·fi2 (x2 )·. . .·fin (xn ), donde il ∈ I es el único índice tal que xl ∈ Gil . Definimos f (1) = e. Es obvio que (f ◦ hl )(x) = f (x) = fl (x) para cada x ∈ Gl . Veamos que f : ∗i∈I Gi → G es un homomorfismo de grupos. Sea w = x1 · · · xn una palabra. Supongamos que xk = ei . Sea w0 la palabra obtenida al eliminar xk de w. Por definición de f y por ser fi un homomorfismo se tiene que f (w) = f (w0 ). Así, el valor de f se mantiene al suprimir eventuales elementos neutros en una palabra. Supongamos ahora que en w hay una sílaba xk xk+1 con xk , xk+1 ∈ Gi . Si w0 es la palabra obtenida al cambiar xk xk+1 por xk · xk+1 entonces f (w) = f (w0 ) por ser fi un homomorfismo. Por tanto, el valor de f no cambia cuando sustituimos una sílaba xk xk+1 con letras en el mismo Gi por la letra xk · xk+1 . Dadas w1 = x1 · · · xn y w2 = y1 · · · ym en W , sabemos que w1 w2 se obtiene de w1 w2 mediante una cantidad finita de operaciones de reducción. Por lo probado antes: f (w1 w2 ) = f (x1 · · · xn y1 · · · ym ) = fi1 (x1 ) · . . . · fin (xn ) · fj1 (y1 ) · . . . · fjm (ym ) = f (x1 · · · xn ) · f (y1 · · · ym ) = f (w1 ) · f (w2 ). EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN 5 Finalmente probaremos la unicidad. Sea g : ∗i∈I Gi → G otro homomorfismo con g ◦ hl = fl para cada l ∈ I. Dada un palabra reducida w = x1 x2 · · · xn , se tiene: g(w) = g(xi x2 . . . xn ) = g(x1 ) · g(x2 ) · . . . · g(xn ) = fi1 (x1 ) · fi2 (x2 ) · . . . · fin (xn ) = f (w). Esto concluye la demostración. Definición 1.14. En las condiciones del lema previo, diremos que f es el homomorfismo que extiende a la familia fl : Gl → G. Ejercicio 3. Este ejercicio sirve para comparar el producto libre finito con el producto de grupos usual. Sean {Gi }i=1,...,n grupos disjuntos y fi : Gi → G1 × . . . × Gn las inclusiones naturales. Por el Lema 1.13 existe un único homomorfismo f : G1 ∗ . . . ∗ Gn → G1 × . . . × Gn tal que f ◦ hi = fi , para cada i = 1, . . . , n. Describir f y probar que es un epimorfismo. ¿Es un isomorfismo? Si la respuesta en negativa, encontrar algunos elementos de Ker(f ). 1.2. Grupos libres. Vamos a particularizar la construcción del producto libre de grupos cuando Gi ∼ = Z, para cada i ∈ I. 1.15. Sea A = {a} un conjunto con un único elemento. Consideramos el conjunto Definición a formado por las potencias formales de a con exponente entero, esto es: a = {ak / k ∈ Z}. Operamos dos elementos de a sumando exponentes. El neutro se obtiene para k = 0 y el inverso de ak es a−k . El grupo resultante se llama grupo libre de rango uno generado por a. Es obvio que a ∼ = Z mediante el isomorfismo ak 7→ k. Definición 1.16. Sea {Gi }i=1,...,n una familia finita disjunta de grupos, donde G = ai i n para cada i = 1, . . . , n. El producto libre ∗i=1 Gi se denota a1 , . . . , an y se llama grupo libre de rango n generado por {a1 , . . . , an }. A veces se escribe a1 , . . . , an ∼ = Z ∗ . . . ∗ Z. Ejemplo 1.17. ¿Cómo son los elementos de a, b ? Deben ser palabras reducidas cuyas letras están en a o b , es decir, cada letra es una potencia de a o b con exponente no nulo. Algunos ejemplos son a5 b−7 a−3 , a b, b a o b3 a−2 b. Ejemplo 1.18. ¿Cómo son los elementos de a1 , . . . , an ? Deben ser palabras reducidas cuyas letras están en algún ai . Por tanto: k k k a1 , . . . , an = {ai1i1 ai2i2 · · · aimim / m ∈ N ∪ {0}, il ∈ {1, . . . , n}, kil ∈ Z − {0}, ∀l = 1, . . . , m}, donde además cada par de índices consecutivos son distintos. Nota 1.19. No es verdad que a1 , . . . , an ∼ = Zn si n > 2. De hecho, el primer grupo no es n abeliano mientras que Z sí lo es. Analizaremos mejor la relación que hay entre a1 , . . . , an y Zn más abajo cuando expliquemos la propiedad universal de los grupos libres. Usando el Lema 1.13 sabemos que cada familia de homomorfismos fi : ai → G extiende a un único homomorfismo f : a1 , . . . , an → G. Nótese que fi está determinado por fi (ai ). Esto nos permite deducir el siguiente corolario, afirmando que para definir un homomorfismo de a1 , . . . , an a G basta con dar las imágenes de los generadores (de forma similar a lo que ocurre con las bases y las aplicaciones lineales entre espacios vectoriales). Corolario 1.20 (Propiedad universal del grupo libre). Sea G un grupo y x1 , . . . , xn ∈ G. Existe un único homomorfismo f : a1 , . . . , an → G con f (ai ) = xi , para cada i = 1, . . . , n. 6 EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN n Ejemplo 1.21. Sea ui = (0, . . . , 1,n . . . , 0) ∈ Z . Por el corolario previo, existe un único homomorfismo f : a1 , . . . , an → Z con f (ai ) = ui . Es claro que f es sobreyectivo. Nótese que f no puede ser inyectivo (se tendría un isomorfismo entre grupos no simultáneamente −1 abelianos). Por ejemplo, ai aj a−1 i aj ∈ Ker(f ), para cada i 6= j. Se puede probar que Ker(f ) −1 coincide con Nor(A), donde A = {ai aj a−1 i aj / i 6= j}. Por el primer teorema de isomorfía, n se sigue que a1 , . . . , an /Nor(A) ∼ =Z . En realidad, todo grupo es isomorfo a un cociente de un grupo libre (quizás de infi rango nito). Si ponemos S = {a , . . . , a } y tomamos R ⊆ S , al grupo cociente G = S /Nor(R) n 1 lo denotaremos S; R . Diremos que S; R es una presentación de G. Los elementos de S se llaman generadores ylos de R relaciones. Un grupo puede admitir varias presentaciones (por ejemplo a ∼ = a, b; b ∼ = Z); de hecho, un problema difícil consiste en decidir sin dos presentaciones distintas producen el mismo grupo salvo isomorfismos. También es difícil identificar una presentación dada con un grupo conocido. Ejemplo 1.22. El grupo a; an es isomorfo a Zn . Para probarlo, basta con aplicar el primer teorema de isomorfía al único homomorfismo f : a → Zn con f (a) = 1. Otras presentaciones sencillas son las siguientes: (i) a, b; an ,bm ∼ = Zn ∗ Zm , a, b; an , bm , ab a−1 b−1 ∼ = Zn × Zm . (ii) a, b; an ∼ = Zn ∗ Z, a, b; an , a b a−1 b−1 ∼ = Zn × Z. (iii) a, b; bm ∼ = Z ∗ Zm , a, b; bm , a b a−1 b−1 ∼ = Z × Zm . 2 (iv) a, b; a b a−1 b−1 ∼ Z . = −1 ∼ n (v) a1 , . . . , an ; ai aj a−1 i aj , i 6= j = Z . 1.3. Enunciado del teorema de Seifert-Van Kampen. Ya estamos en condiciones de establecer el resultado fundamental de este apartado del tema. Teorema 1.23 (Seifert, 1934; Van-Kampen, 1933). Sea X un e.t. Supongamos que U y V son dos abiertos a.c. de X tales que X = U ∪V y U ∩V es a.c. y no vacío. Dado x0 ∈ U ∩V , tomemos (iU )∗ : π1 (U, x0 ) → π1 (X, x0 ) e (iV )∗ : π1 (V, x0 ) → π1 (X, x0 ) los homomorfismos inducidos por las inclusiones iU : U → X e iV : V → X. Sea f : π1 (U, x0 ) ∗ π1 (V, x0 ) → π1 (X, x0 ) el homomorfismo que extiende a (iU )∗ e (iV )∗ . Entonces, f es un epimorfismo y: Ker(f ) = Nor(A), con A = {(jU )∗ ([α]) (jV )∗ ([α])−1 / [α] ∈ π1 (U ∩ V, x0 )}, donde jU : U ∩ V → U y jV : U ∩ V → V son las inclusiones. Como consecuencia: π1 (U, x0 ) ∗ π1 (V, x0 ) π1 (X, x0 ) ∼ . = Nor(A) Comentarios de la demostración. La demostración tiene dos partes: probar la sobreyectividad de f y calcular Ker(f ). En la prueba de la sobreyectividad se siguen las mismas ideas que cuando probamos que X es s.c. si se expresa como unión de subconjuntos s.c. con intersección a.c. Que f sea epimorfismo significa que todo elemento de π1 (X, x0 ) tiene asociada una palabra reducida con letras en π1 (U, x0 ) y π1 (V, x0 ), es decir, π1 (X, x0 ) está generado por π1 (U, x0 ) y π1 (V, x0 ). En general, la forma en que se asocia a cada elemento de π1 (X, x0 ) una palabra reducida con letras en π1 (U, x0 ) y π1 (V, x0 ) no es única. No es difícil comprobar que Nor(A) ⊆ Ker(f ). La auténtica dificultad de la demostración estriba en la otra inclusión. Algunos casos particulares interesantes del teorema son los siguientes: Corolario 1.24. En las condiciones del teorema anterior, se tiene: EL TEOREMA DE SEIFERT-VAN KAMPEN (i) Si U ∩ V es s.c., entonces f es un isomorfismo de grupos y: ∼ π1 (U, x0 ) ∗ π1 (V, x0 ). π1 (X, x0 ) = (ii) Si U es s.c., entonces f es un epimorfismo y: Ker(f ) = Nor(A) con A = (jV )∗ (π1 (U ∩ V, x0 )), donde jV : U ∩ V → V es la inclusión. Como consecuencia, se tiene que: π1 (V, x0 ) π1 (X, x0 ) ∼ . = Nor(A) (iii) Si U y V son s.c., entonces X también lo es (ya probado). 7