- Geometric Group Theory
- Summary
Course Syllabus
Obiettivi
L'obiettivo del corso è di studiare grafi particolari chiamati alberi e i gruppi che agiscono su di essi, con attenzione alla teoria sviluppata da Hyman Bass e Jean-Pierre Serre negli anni '70. Questa teoria è fondamentale nella teoria geometrica dei gruppi, che mira a recuperare proprietà dei gruppi attraverso la loro azione su spazi topologici. Il corso coprirà anche applicazioni come le terminazioni di gruppi, la caratterizzazione dei sottogruppi di gruppi liberi tramite grafi di Stallings, e la frontiera di un albero.
In particolare, gli obiettivi formativi descritti nei termini dei Descrittori di Dublino, saranno:
- Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding): Lo studente acquisirà una conoscenza chiara e sistematica dei principali concetti della teoria di Bass-Serre sugli alberi. Conoscerà il linguaggio, le definizioni e gli enunciati dei risultati fondamentali della teoria di Bass-Serre (come grafi, alberi e costruzioni di prodotti di gruppi) e comprendere i concetti di della teoria geometrica dei gruppi e le loro applicazioni, con un occhio alla continuazione dello studio.
- Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding): Lo studente sarà in grado di applicare le principali tecniche dimostrative della teoria di Bass-Serre per analizzare azioni di gruppi che agiscano su alberi e potrà utilizzare le nozioni teoriche per la risoluzione di esercizi avanzati (problem solving).
- Autonomia di giudizio (making judgements): Lo studente apprenderà a valutare criticamente le diverse tecniche dimostrative e le loro applicazioni e svilupperà un approccio critico e autonomo nello studio della teoria geometrica dei gruppi.
- Abilità comunicative (communication skills): Lo studente saprà comunicare in modo chiaro ed efficace i concetti e le tecniche della teoria di Bass-Serre, utilizzando correttamente il linguaggio matematico per poter presentare e discutere i risultati teorici e le applicazioni in un contesto accademico.
- Capacità di apprendere (learning skills): Lo studente svilupperà la capacità di aggiornarsi autonomamente sui temi e sviluppi nella teoria geometrica dei gruppi, di interpretare criticamente la letteratura scientifica e di integrare nuove conoscenze nella propria pratica professionale o di ricerca.
Il corso può essere tenuto in inglese o italiano. Per fini didattici e trasversali sarebbe preferibile la lingua inglese, ma comunque la lingua verrà discussa e decisa di persona nelle prime lezioni del corso.
Contenuti sintetici
- Nozioni di base di teoria dei grafi e alberi.
- Costruzione di grafi di Cayley a partire da gruppi.
- Costruzione di gruppi liberi, prodotti liberi e generalizzazioni.
- Caratterizzazione di gruppi che agiscano su alberi.
Programma esteso
- Grafi, cammini, connettività, alberi
- Azioni di gruppi su grafi, grafi di Cayley, grafi quoziente
- Gruppi liberi, lemma del diamante e del ping-pong
- Prodotti liberi e amalgamati, estensioni HNN e loro realizzazione tramite azioni su alberi
- Grafi di gruppi, gruppo fondamentale di un grafo di gruppi
- Teorema di caratterizzazione per gruppi che agiscono su alberi (teorema fondamentale della teoria di Bass-Serre)
- Teorema di Kurosh per sottogruppi di prodotti liberi
- Possibili argomenti più avanzati a fine corso (terminazioni di gruppi, grafi di Stallings, frontiera di un albero, ecc.)
Prerequisiti
Algebra I, Geometria I.
Modalità didattica
56 ore di lezione svolte in modalità erogativa, in presenza (8 cfu)
Materiale didattico
- O. Bogopolski, Introduction to Group Theory, EMS Textbooks in Mathematics, 2008.
- J. Meier, Groups, Graphs and Trees, London Mathematical Society, Student Texts, 73, CUP, 2008.
- J-P. Serre, Trees, Springer-Verlag, Berlin, 1980.
- W. Dicks, M. Dunwoody. Groups acting on graphs. Cambridge Studies in Advanced Mathematics, 17. Cambridge University Press, Cambridge, 1989
- G. Baumslag, Topics in combinatorial group theory. Lectures in Mathematics ETH Zürich. Birkhäuser Verlag, Basel, 1993
Periodo di erogazione dell'insegnamento
1° semestre
Modalità di verifica del profitto e valutazione
La prova finale d'esame consiste in un colloquio orale svolto in due parti:
(1) La prima parte è una presentazione di 20 minuti su un'applicazione, approfondimento o un tema relazionato della teoria di Bass-Serre concordato con il docente. La presentazione contribuisce 20% del voto finale.
(2) La seconda parte è discussione orale tramite domande su argomenti svolti a lezione contenuti del corso da cui si valuta le competenze acquisite dallo studente nello spiegare e applicare la teoria di Bass-Serre. La discussione su argomenti svolti contribuisce 80% del voto finale.
Orario di ricevimento
Su appuntamento.
Sustainable Development Goals
Aims
The goal the course is to study particular graphs called trees and the groups acting on them, with attention to the theory developed by Hyman Bass and Jean-Pierre Serre in the 1970s. This theory is fundamental in geometric group theory, which aims to recover properties of groups through their action on topological spaces. The course will also cover applications such as ends of groups, the characterization of subgroups of free groups by Stallings graphs, and the boundary of a tree.
In particular, the educational objectives described in terms of the Dublin Descriptors, will be:
- Knowledge and understanding: The student will acquire a clear and systematic knowledge of the main concepts of Bass-Serre tree theory. They will know the language, definitions and statements of the fundamental results of Bass-Serre theory (such as graphs, trees, product constructions of groups) and understand the concepts of geometric group theory and their applications, with an eye towards continuing their studies.
- Applying knowledge and understanding: The student will be able to apply the main proving techniques of the Bass-Serre theory to analyze actions of groups that act on trees and will be able to use the theoretical notions to solve advanced exercises (problem solving).
- Making judgments: The student will learn to critically evaluate the different proving techniques and their applications and will develop a critical and autonomous approach in the study of geometric group theory.
- Communication skills: The student will be able to communicate clearly and effectively the concepts and techniques of the Bass-Serre theory, using mathematical language correctly to present and discuss theoretical results and applications in an academic context.
- Learning skills: The student will develop the ability to independently update themselves on the topics and developments in geometric group theory, to critically interpret scientific literature and to integrate new knowledge into their professional or research practice.
The course can be taught in English or Italian. For teaching and additional purposes, English would be preferable, but in any case the language will be discussed and decided in person during the first classes of the course.
Contents
- Basics in graph theory and trees
- Construction of Cayley graphs from groups
- Construction of free groups, free products and generalizations
- Characterization of groups acting on trees
Detailed program
- Graphs, paths, connectivity, trees
- Group actions on graphs, Cayley graphs, quotient graphs
- Free groups, diamond and ping-pong lemmas
- Free products (with amalgamation) and HNN-extensions and their realizations through groups acting on trees
- Graph of groups; the fundamental group of a graph of groups
- Characterization theorem for groups acting on trees (the fundamental theorem of Bass-Serre theory)
- Kurosh theorem for subgroups of free products
- Possible additional advanced topics at the end of the course (ends of groups, Stallings graphs, boundary of a tree, etc.)
Prerequisites
Algebra I, Geometria I.
Teaching form
56 hours of in-person, lecture-based teaching (8 ECTS)
Textbook and teaching resource
- O. Bogopolski, Introduction to Group Theory, EMS Textbooks in Mathematics, 2008.
- J. Meier, Groups, Graphs and Trees, London Mathematical Society, Student Texts, 73, CUP, 2008.
- J-P. Serre, Trees, Springer-Verlag, Berlin, 1980.
- W. Dicks, M. Dunwoody. Groups acting on graphs. Cambridge Studies in Advanced Mathematics, 17. Cambridge University Press, Cambridge, 1989
- G. Baumslag, Topics in combinatorial group theory. Lectures in Mathematics ETH Zürich. Birkhäuser Verlag, Basel, 1993
Semester
1st semester
Assessment method
The final exam will consist of a conversation in two parts:
(1) The first part is given by a 20-minute presentation about an application of or a topic related to Bass-Serre theory previously agreed with the instructor. The talk will contribute 20% to the final grade
(2) The second part is an oral discussion through questions about the content covered during class time to assess the students's acquired proficiency in explaining and applying Bass-Serre theory. The oral discussion exam will provide the remaining 80% of the final grade.
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By appointment.