Grup bebas

Dalam matematika, **grup bebas** *F**S* di atas himpunan tertentu * S * terdiri dari semua kata-kata yang dapat dibangun dari anggota * S *, mempertimbangkan dua kata untuk menjadi berbeda kecuali persamaannya mengikuti dari aksioma grup (yaitu *st* = *suu*−1*t*, melainkan *s* ≠ *t*−1 untuk *s*,*t*,*u* ∈ *S*). Anggota * S * disebut **generator** dari *F**S*, dan jumlah generator adalah **pangkat** dari grup bebas.
Sebuah grup * G * sembarang disebut **bebas** jika isomorfik pada *F**S* untuk beberapa subset * S * dari * G *, yaitu, jika ada subset * S * dari * G * sehingga setiap elemen * G * bisa ditulis dalam satu dan hanya satu cara sebagai produk dari banyak elemen * S * (melainkan variasi sepele seperti *st* = *suu*−1*t*).

Gagasan terkait tetapi berbeda adalah grup abelian gratis; kedua gagasan adalah contoh khusus dari objek bebas dari aljabar universal. Dengan demikian, grup gratis ditentukan oleh sifat universal.

## Sejarah
Grup bebas pertama kali muncul dalam studi geometri hiperbolik, sebagai contoh grup Fuchsian (kelompok diskrit yang bekerja oleh isometri pada bidang hiperbolik). Dalam sebuah makalah tahun 1882, Walther von Dyck menunjukkan bahwa kelompok-kelompok ini memiliki [presentasi] yang sesederhana. Studi aljabar kelompok bebas diprakarsai oleh [Jakob Nielsen (matematikawan)|Jakob Nielsen pada tahun 1924, yang memberi mereka nama dan menetapkan banyak sifat dasar mereka. Max Dehn menyadari hubungannya dengan topologi, dan memperoleh bukti pertama dari teorema Nielsen–Schreier secara penuh. Otto Schreier published an algebraic proof of this result in 1927, dan Kurt Reidemeister memasukkan perawatan komprehensif kelompok bebas dalam bukunya tahun 1932 tentang topologi kombinatorial. Kemudian pada tahun 1930-an, Wilhelm Magnus menemukan hubungan antara deret tengah bawah dari gruo bebas dan aljabar Lie bebas.

## Contoh
Grup (**Z**, +) dari bilangan bulat  bebas dari peringkat 1; satu set pembangkit adalah *S* = {1}. Integer juga merupakan grup abelian gratis, meskipun semua grup gratis dengan peringkat  \geq 2  adalah non-abelian. Grup bebas pada himpunan dua elemen * S * muncul sebagai bukti dari Paradoks Banach-Tarski dan dijelaskan di sana.

Di sisi lain, setiap grup berhingga nontrivial tidak dapat bebas, karena elemen-elemen dari sebuah himpunan pembangkit bebas dari sebuah grup bebas memiliki urutan tak hingga.

Dalam topologi aljabar, grup fundamental dari rangkaian lingkaran '' k '' (satu set loop * k * yang hanya memiliki satu titik yang sama) adalah grup bebas pada satu himpunan elemen * k *.

## Konstruksi
**Grup bebas** *F<sub>S</sub>* dengan **genset bebas** * S * dapat dibuat sebagai berikut. *S* adalah satu set simbol, dan kami anggap untuk setiap * s * di * S * ada simbol "invers" yang sesuai, *s*&minus;1, dalam satu himpunan *S*&minus;1. Karena *T*&nbsp;=&nbsp;*S*&nbsp;∪&nbsp;*S*&minus;1, dan tentukan **[[kata (teori grup)|kata]]** di * S * menjadi produk tertulis dari elemen * T *. Artinya, kata dalam * S * adalah elemen monoid yang dihasilkan oleh * T *. Kata kosong adalah kata tanpa simbol sama sekali. Misalnya, jika *S*&nbsp;=&nbsp;{*a*,&nbsp;*b*,&nbsp;*c*}, then *T*&nbsp;=&nbsp;{*a*,&nbsp;*a*&minus;1,&nbsp;*b*,&nbsp;*b*&minus;1,&nbsp;*c*,&nbsp;*c*&minus;1}, dan
:a b^3 c^{-1} c a^{-1} c\,
adalah kata dalam * S *.

Jika elemen * S * terletak tepat di sebelah kebalikannya, kata tersebut dapat disederhanakan dengan menghilangkan c,&nbsp;c&minus;1 pair:
:a b^3 c^{-1} c a^{-1} c\;\;\longrightarrow\;\;a b^3 \, a^{-1} c.
Kata yang tidak dapat disederhanakan lebih lanjut disebut **dikurangi**.

Grup gratis * F<sub> S </sub> * didefinisikan sebagai grup dari semua kata tereduksi dalam * S *, dengan rangkaian kata (diikuti dengan pengurangan jika perlu) sebagai grup operasi.  Identitas adalah kata kosong.

Sebuah kata disebut **berkurang secara siklis** jika huruf pertama dan terakhirnya tidak saling bertolak belakang. Setiap kata konjugasi menjadi kata yang direduksi secara siklis, dan konjugasi yang berkurang secara siklis dari kata yang dikurangi secara siklis adalah permutasi siklik dari huruf-huruf dalam kata tersebut.  Contohnya *b*&minus;1*abcb* tidak direduksi secara siklis, tetapi dikonjugasikan menjadi * abc *, yang direduksi secara siklis. Konjugat * abc * yang berkurang secara siklis adalah * abc *, * bca *, dan * cab *.

## Sifat universal
Grup bebas *F<sub>S</sub>* adalah grup universal yang dihasilkan oleh himpunan * S *.  Ini dapat diformalkan dengan universal property: diberikan fungsi apa pun  dari * S * ke grup * G *, ada homomorfisme yang unik] *φ*:&nbsp;*F<sub>S</sub>*&nbsp;→&nbsp;*G* melakukan perjalanan diagram berikut (di mana pemetaan tanpa nama menunjukkan inklusi dari * S * ke *F<sub>S</sub>*):

Artinya, homomorfisme *F<sub>S</sub>*&nbsp;→&nbsp;*G* berada dalam korespondensi satu-ke-satu dengan fungsi *S*&nbsp;→&nbsp;*G*. Untuk grup yang tidak bebas, kehadiran hubungan akan membatasi kemungkinan gambar generator di bawah homomorfisme.

Untuk melihat bagaimana ini terkait dengan definisi konstruktif, pikirkan pemetaan dari * S * ke *F<sub>S</sub>* sebagai pengiriman setiap simbol ke kata yang terdiri dari simbol itu. Untuk membangun * φ * untuk yang diberikan , catatan pertama bahwa * φ * mengirimkan kata kosong ke identitas * G * dan harus sesuai dengan  pada elemen * S *. Untuk sisa kata (terdiri dari lebih dari satu simbol), * φ * dapat diperpanjang secara unik, karena ini adalah homomorfisme, yaitu, *φ*(*ab*) = *φ*(*a*) *φ*(*b*).

Properti di atas mengkarakterisasi grup bebas hingga isomorfisme, dan terkadang digunakan sebagai definisi alternatif.  Ini dikenal sebagai sifat universal dari grup bebas, dan set pembangkit * S * disebut **basis** untuk * F <sub> S </sub> *. Dasar untuk grup bebas tidak ditentukan secara unik.

Dicirikan oleh properti universal adalah fitur standar objek bebas dalam aljabar universal.  Dalam bahasa teori kategori, konstruksi grup gratis (mirip dengan kebanyakan konstruksi objek gratis) adalah funktor dari kategori set ke kategori grup.  Funktor ini adalah penyambung kiri ke fungsi lupa dari grup ke himpunan.

## Grup abelian bebas

Grup abelian bebas pada himpunan * S * didefinisikan melalui properti universal dengan cara yang analog, dengan modifikasi yang jelas:
Pertimbangkan pasangan (* F *, * φ *), di mana * F * adalah grup abelian dan *φ*: *S* → *F* adalah sebuah fungsi. * F * dikatakan sebagai * 'grup abelian bebas di' 'S' 'sehubungan dengan *φ* jika untuk grup abelian * G * dan fungsi apa pun *ψ*: *S* → *G*, ada homomorfisme yang unik *f*: *F* → *G

:*f*(*φ*(*s*)) = *ψ*(*s*), untuk * s * dalam * S *.

Grup abelian gratis pada * S * dapat secara eksplisit diidentifikasi sebagai grup gratis F(* S *) modulo subkelompok yang dihasilkan oleh komutatornya, [F(*S*), F(*S*)], yaitu
nya abelianisasi. Dengan kata lain, grup abelian gratis pada * S * adalah kumpulan kata yang dibedakan hanya sampai urutan hurufnya. Oleh karena itu, peringkat grup bebas juga dapat didefinisikan sebagai peringkat abelianisasi sebagai grup abelian bebas.

## Masalah Tarski
Sekitar tahun 1945, Alfred Tarski bertanya apakah grup bebas pada dua atau lebih generator memiliki teori orde pertama yang sama, dan apakah teori ini desidable.  menjawab pertanyaan pertama dengan menunjukkan bahwa dua kelompok bebas nonabelian memiliki teori orde pertama yang sama, dan  menjawab kedua pertanyaan tersebut, menunjukkan bahwa teori ini dapat diputuskan.

Sebuah pertanyaan serupa yang tidak terpecahkan (pada 2011) di teori probabilitas bebas menanyakan apakah aljabar grup von Neumann dari dua kelompok bebas yang dihasilkan tak terbatas non-abelian adalah isomorfik.

## Lihat pula
* Menghasilkan sekumpulan grup
* Presentasi grup
* Transformasi Nielsen, faktorisasi elemen dari grup automorfisme dari grup bebas
* Bentuk normal untuk grup bebas dan produk gratis dari grup
* Produk bebas

## Catatan

## Referensi
* 
*W. Magnus, A. Karrass and D. Solitar, "Combinatorial Group Theory", Dover (1976).
* P.J. Higgins, 1971, "Categories and Groupoids", van Nostrand, {New York}. Reprints in Theory and Applications of Categories, 7 (2005) pp 1–195.
* 
*Serre, Jean-Pierre, *Trees*, Springer (2003) (English translation of "arbres, amalgames, SL2", 3rd edition, *astérisque* **46** (1983))
* P.J. Higgins, *[http://doi.org/10.1112/jlms/s2-13.1.145 The fundamental groupoid of a graph of groups] *, Journal of the London Mathematical Society (2) **13** (1976), no. 1, 145–149.
* .
* .