群の元の構造を捉えるために,群の生成という概念を導入する.
生成系
$G$を群,$S\subset G$,$g\in G$とする.
ある$n\in \mathbb{N}$と$x_1,x_2,\dots ,x_n\in S$が存在して
\[ g=x_1^{\pm 1}x_2^{\pm 2}\dots x_n^{\pm 1}\quad (複合任意)\]
と表される$g$を$S$の元による語(word)という.
ただし,$G$の単位元$e$は空集合$\emptyset$の元による語であるとする.
すなわち,群の部分集合の元とその逆元の積で表される群の元を,その部分集合による語という.このとき,次の概念を定義することができる.
$G$を群,$S\subset G$,$n\in \mathbb{N}$とする.
$S$の元による語全体の集合を$S$によって生成された部分群(subgroup generated by S)といい,$\langle S\rangle$で表す.このとき,$S$は$G$を生成する(generate)といい,$S$を$\langle S\rangle$の生成系(または群の生成系,生成集合)(generating set of a group),$S$の元を$\langle S\rangle$の生成元(generator)(または群の生成元(group generator))という.
特に,$S=\{ x_1,x_2,\dots ,x_n\}$であるとき,$\langle S\rangle$を$\langle x_1,x_2,\dots ,x_n\rangle$で表す.
ここで,群$G$の部分集合$S$に対して,$\langle S\rangle$が$G$の部分群であることを確認しよう.
$e$を$G$の単位元とすると,$S$が空集合であるとき,$\langle S\rangle =\{ e\}$は$G$の部分群である.
以下,$S$は空でないとし,$S^{\prime}=\{ x^{\pm 1}\mid x\in S\}$とする.
任意の$a,b\in \langle S\rangle$に対して,ある$m,n\in \mathbb{N}$と$x_1,x_2,\dots ,x_m,y_1,y_2,\dots y_n\in S^{\prime}$が存在して
\[ a=x_1x_2\dots x_m,\quad b=y_1y_2\dots y_n\]
と表される.このとき,$y_1^{-1}.y_2^{-1},\dots y_n^{-1}\in S^{\prime}$であるから
\[ ab^{-1}=x_1x_2\dots x_my_n^{-1}\dots y_2^{-1}y_1^{-1}\in \langle S\rangle \]
$\langle S\rangle$は空でないことに注意すると,$\langle S\rangle$は$G$の部分群である.
$G$を群,$S\subset G$とする.
$G$の任意の部分群$H$に対して,$S\subset H$ならば$\langle S\rangle \subset H$が成り立つ.
$H$を$S$を含む$G$の部分群とする.
$e$を$G$の単位元とすると,$S$が空集合であるとき,$\langle S\rangle =\{ e\}$であり,$e\in H$であるから,$\langle S\rangle \subset H$が成り立つ.
以下,$S$は空でないとし,$S^{\prime}=\{ x^{\pm 1}\mid x\in S\}$とする.
$a\in \langle S\rangle$ならば,ある$n\in \mathbb{N}$と$x_1,x_2,\dots ,x_n\in S^{\prime}$が存在して
\[ a=x_1x_2\dots x_n\]
と表される.
ここで,任意の$x\in S$に対して,$S\subset H$より$x\in H$であり,$H$は$G$の部分群であるから,$x^{-1}\in H$である.
よって,$x_1,x_2,\dots ,x_n\in H$であるから,$a\in H$
したがって$\langle S\rangle \subset H$が成り立つ.$\blacksquare$
$G$を群,$S_1,S_2$を$G$の部分集合とする.
$S_1\subset S_2$ならば$\langle S_1\rangle \subset \langle S_2\rangle$が成り立つ.
$e$を$G$の単位元とすると,$S_1$が空集合であるとき,$\langle S_1\rangle =\{ e\}$であり,$e\in \langle S_2\rangle$であるから,$\langle S_1\rangle \subset \langle S_2\rangle$が成り立つ.
以下,$S_1$は空でないとし,$S_1^{\prime}=\{ x^{\pm 1}\mid x\in S_1\}$,$S_2^{\prime}=\{ x^{\pm 1}\mid x\in S_2\}$とする.
任意の$a\in \langle S_1\rangle$に対して,ある$n\in \mathbb{N}$と$x_1,x_2,\dots ,x_n\in S_1^{\prime}$が存在して
\[ a=x_1x_2\dots x_n\]
と表される.$S_1\subset S_2$より$S_1^{\prime}\subset S_2^{\prime}$であるから,$x_1,x_2,\dots ,x_n\in S_2^{\prime}$であることに注意すると,$a\in \langle S_2\rangle$である.
したがって,$\langle S_1\rangle \subset \langle S_2\rangle$が成り立つ.$\blacksquare$
巡回群
最も単純な生成系として,1元集合を考えてみよう.
1元集合で生成される群を巡回群(cyclic group, monogenous group)といい,巡回群である部分群を巡回部分群(cyclic subgroup)という.
$S=\langle x\rangle$を巡回群とするとき,任意の$g\in S$に対して,ある$n\in \mathbb{Z}$が存在して,$g=x^n$となる.
巡回群の例をいくつか紹介しよう.
加法に関する巡回群$\langle 1\rangle$は$\mathbb{Z}$に等しい.
$n\in \mathbb{N}$とする.加法に関する巡回群$\langle n\rangle$は$n\mathbb{Z}=\{ nk\mid k\in \mathbb{Z}\}$に等しい.
$i$を虚数単位とする.乗法に関する巡回群$\langle i\rangle$は$\{ \pm 1,\pm i\}$に等しい.
$\sigma =(1\ 2\ 3)\in S_3$とする.
\[ \sigma ^2=(3\ 1\ 2),\quad \sigma ^3=\mathrm{id}\]
であるから
\[ \langle \sigma \rangle =\{ \mathrm{id},(1\ 2\ 3),(3\ 1\ 2)\} \]
である.
最後に,次の命題を示しておく.
巡回群は可換群である.
$G=\langle x\rangle$を巡回群とする.
任意の$a,b\in G$に対して,ある$m,n\in \mathbb{Z}$が存在して,$a=x^m,b=x^n$となる.このとき
\[ ab=x^mx^n=x^{m+n}=x^{n+m}=x^nx^m=ba\]
であるから,巡回群は可換群である.$\blacksquare$