Hyperbolische Gruppen von W. Lück

Oberseminar Topologie, Münster, 29.10.03 zuletzt editiert: 29.10.03 zuletzt kompiliert: October 29, 2003

1 Hyperbolische Räume

Eine Geodäte in einem metrischen Raum X ist eine isometrische Abbildung c: I → X, wobei I ein Intervall in ℝ ist.

Definition 1.1 (Geodätischer Raum). Ein geodätischer Raum ist ein metrischer Raum, zu dem es zu je zwei Punkten x, y ∈ X eine Geodäte c: [0, d(x, y)] → X mit c(0) = x und c(d(x, y)) = y gibt.

Beispiel 1.2 (Beispiele für geodätische Räume).

• Eine vollständige Riemannsche Mannigfaltigkeit ist ein geodätischer Raum.

• Sei G ein Graph. Er wird zu einem metrischen Raum durch die Infimumsmetrik bezüglich stückweise linearer Wege, wobei jede Kante durch [0, 1] parametrisiert wird.

Sei δ ≥ 0 gegeben. Ein geodätisches Dreieck heißt Δ-dünn, falls jede Seite in einer δ-Umgebung der Vereinigung der anderen beiden Seiten enthalten ist.

Definition 1.3 (Hyperbolischer Raum). Ein δ-hyperbolischer Raum ist ein geodätischer Raum, in dem alle Dreiecke δ-dünn sind. Ein hyperbolischer Raum ist ein Raum, der δ-hyperbolisch für ein δ > 0 ist.

Beispiel 1.4 (Beispiele für hyperbolische Räume).

• Der 2-dimensionale hyperbolische Raum ℍ^{2} ist hyperbolisch.

Der Satz von Gauß-Bonnet liefert für ein geodätisches Dreick Δ,

Fläche(Δ) = π − α − β − γ.

Also ist die Fläche jedes in Δ enthaltenen Halbkreises durch π beschränkt. Die Fläche eines Kreises vom (hyperbolischen) Radius r in ℍ^{2} ist 2π cosh(r)− 1) und geht für r → ∞ gegen ∞.

• Eine vollständige Riemannsche Mannigfaltigkeit mit negativer Schnittkrümmung ist hyperbolisch.

• Ein CAT(κ)-Raum für κ < 0 ist hyperbolisch.

Sei M_{κ} die (bis auf Isometrie eindeutige) einfach zusammenhängende vollständige Riemannsche Mannigfaltigkeit mit konstanter Schnittkrümmung mit Wert κ ≤ 0. Sei X ein metrischer Raum. Zu jedem geodätischen Dreick Δ in X gibt es ein Vergleichsdreieck \overline{Δ} ⊆ M_{κ}. Es erfüllt Δ die CAT(κ)-Bedingung, falls für alle x, y ∈ Δ mit Vergleichspunkten \overline{x}, \overline{y} ∈ \overline{Δ} die Ungleichung d(x, y) ≤ d(\overline{x}, \overline{y}) gilt. Falls alle Δ dies erfüllen, heißt X ein CAT(κ)-Raum. (Es wird nicht gefordert, dass X vollständig ist). Jede Riemannsche Mannigfaltigkeit mit Schnittkrümmung ≤ κ ist ein CAT(κ)- Raum.

• ℝ^{n} hat Schnittkrümmung konstant 0 und ist nicht hyperbolisch.

• Ein eigentlicher kokompakter CAT(0)-Raum ist genau dann hyperbolisch, wenn er keine zu ℝ^{2} isometrischen Unterraum enthält. (Kokompakt heißt, dass es eine kompakte Teilmenge K ⊆ X mit X = ∪{γ(K) | γ: X → X Isometrie} gibt. Eigentlich heißt, dass jeder abgeschlossene Ball kompakt ist.)

• Jeder Baum is 0-hyperbolisch Ein geodätischer Raum ist genau dann 0-hyperbolisch, wenn er ein ℝ-Baum ist. Comment 1: Was bedeutet ℝ-Baum?

• Jeder geodätischer Raum mit endlichem Durchmesser ist hyperbolisch.

Bemerkung 1.5 (CAT(κ) versus hyperbolisch). Eine Riemannsche Mannigfaltigkeit hat genau dann Schnittkrümmung ≤ κ, wenn sie ein CAT(κ)-Raum ist.

Die Bedingung CAT(κ) ist eine lokale Bedingung. Die Bedingung hyperbolischer Raum ist eine Bedingung im Großen, eine lokale Änderung der Metrik zerstört diese Eigenschaft nie, im Gegensatz zur Bedingung CAT(κ).

Die Bedingung CAT(κ) ist viel stärker als die Bedingung “hyperbolisch”. Beispielsweise ist jeder CAT(κ)-Raum für κ ≤ 0 kontraktibel.

Bemerkung 1.6 (Äquivalente Definitionen von hyperbolisch). Es gibt einige andere äquivalente Charakterisierungen von hyperbolischen Räumen, die nützlich sind und die wir aus Zeitgründen nicht erläutern wollen. Man findet sie unter den Stichworten “fine triangles”, “Minsize”, “Insize”, “Gromov’s inner product and the 4-point-condition”, “geodesic divergence” and “linear isoperimetric inequality”.

Lemma 1.7. Sei X ein δ-hyperbolischer Raum. Sei w: [a, b] → X ein stetiger rektifizierbarer Weg in X. Sei l(w) die Länge von w. Sei c: [p, q] → X eine Geodäte mit c(p) = w(a) und c(q) = w(b). Dann gilt für alle x ∈ c([p, q])

d(x, w([a, b])) ≤ δ · | ln_{2}(l(w))| + 1.

Proof. Falls l(w) ≤ 1, ist Aussage offensichtlich richtig. Sei im Folgenden l(w) > 1. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sei die Parametrisierung von w durch eine zur Bogenlänge proportionale Parametrisierung w: [0, 1] → X gegeben. Wähle N ∈ ℕ mit l(c) · 2^{−N−1} < 1 ≤ l(w) · 2^{−N}.

Sei x ∈ c([p, q]) gegeben. Wir konstruieren eine Folge von geodätischen Dreiecken Δ_{1}, Δ_{2}, …, Δ_{N+1} und Punkte y_{1}, y_{2}, …, y_{N+1} wie folgt. Sei Δ_{1} ein geodätisches Dreieck mit Ecken w(0), w(1/2) und w(1), wobei die Seite von w(0) nach w(1) durch das Bild von c gegeben sein soll. Wähle y_{1} auf der Vereinigung der anderen beiden Seiten von Δ_{1} derart, dass d(x, y_{1}) ≤ Δ gilt. Das ist möglich, da X nach Voraussetzung δ-hyperbolisch ist. Falls y_{1} auf der Seite mit Endpunkten w(0) und w(1/2) liegt, definieren wir Δ_{2} als ein geodätisches Dreieck mit Ecken w(0), w(1/4) und w(1/2), wobei die Seite von w(0) nach w(1/2) mit der von Δ_{1} übereinstimmen soll. Falls y_{1} auf der Seite mit Endpunkten w(1/2) und w(1) liegt, definieren wir Δ_{2} als ein geodätisches Dreieck mit Ecken w(1/2), w(3/4) und w(1), wobei die Seite von w(1/2) nach w(1) mit der von Δ_{1} übereinstimmen soll. In beiden Fällen können wir y_{2} ∈ Δ_{2} − Δ_{1} derart wählen, dass d(y_{1}, y_{2}) ≤ δ gilt.

Wir iterieren dieses Verfahren, in der (n+1)-ten Stufe erhalten wir ein geodätisches Dreieck Δ_{n+1}, das als zwei seiner Ecken Punkte w(t_{n}) und w(t′_{n}) und als dritte Ecke w(t_{n+1}) für t_{n+1} = (t_{n} + t′_{n})/2 hat. Der Punkt y_{n} liegt auf der Seite von w(t_{n}) nach w(t′_{n}), der Punkt y_{n+1} liegt auf eine der beiden anderen Seiten und d(y_{n}, y_{n+1}) ≤ δ. In der letzen N-ten Stufe erhalten wir einen Punkt y_{N} derart, dass d(y_{N}, y) ≤ N · δ gilt und y_{N} auf einem geodätischen Segment der Länge l(w) · 2^{−N−1} mit Endpunkten auf w liegt. Sei y derjenige der beiden Endpunkt, dessen Abstand von y minimal ist. Dann gilt d(y, y_{N}) ≤ l(w)·2^{−N−1} und y ∈ w([0, 1]). Da l(w) · 2^{−N−1} < 1 und 2^{N} ≤ l(w) gilt, folgt

d(x, y) ≤ d(x, y_{N}) + d(y_{N}, y) ≤ N · δ + l(w) · 2^{−N−1} ≤ ln_{2}(l(w)) · δ + 1.

Offensichtlich ist obiges Lemma 1.7 falsch in ℝ^{n}.

2 Quasi-Geodäten

Definition 2.1 (Quasi-Geodäte). Eine (λ, ϵ)-Quasi-Geodäte ist eine (nicht notwendig stetige) Abbildung c: I → X für ein Intervall I ⊆ ℝ derart, dass für alle t, t′ ∈ I gilt

\frac{1}{λ} · |t − t′| − ϵ ≤ d(c(t), c(t′)) ≤ λ · |t − t′| + ϵ.

Theorem 2.2 (Stabilität von Quasi-Geodäten). Für alle reellen Zahlen δ ≥ 0, λ ≥ 1 und ϵ ≥ 0 existiert eine Konstante R = R(δ, λ, ϵ) mit folgender Eigenschaft:

Sei X ein δ-hyperbolischer Raum, c: [a, b] → X eine (λ, ϵ)-Quasi-Geodäte und γ: [p, q] → X eine Geodäte mit γ(p) = c(a) und γ(q) = c(b). Dann gilt für den Hausdorff Abstand der Bilder von c und γ:

d_{H}(c([a, b]), γ([p, q]) ≤ R.

Der Hausdorff-Abstand zweier Teilmengen A und B eines metrischen Raums X ist definiert als

d_{H}(A, B) := inf {ϵ | A ⊆ U_{ϵ}(A) and B ⊆ U_{ϵ}(B)}

wobei U_{ϵ}(A) = {x ∈ X | d(x, a) < ϵ für ein a ∈ A} ist.

Beispiel 2.3 (Logarithmische Spirale). Theorem 2.2 ist nicht richtig für X = ℝ^{2}. Die logarithmische Spirale

s: [0, ∞) → ℝ^{2}, t ↦ (t · cos(ln(1 + t)), t · sin(ln(1 + t)))

ist eine Quasi-Geodäte. Das liegt an folgender Abschätzung für 0 ≤ t′ ≤ t und geeignetes θ ∈ [0, 1]

|t − t′| ≤ d(s(t), s(t′)) ≤ d(s(t), t′·cos(ln(1+t)), t′·sin(ln(1+t)))+d(t′·cos(ln(1+t)), t′·sin(ln(1+t)), s(t′))

≤ |t − t′| + 2πt′ · (ln(1 + t) − ln(1 + t′)) ≤ |t − t′| + 2πt′ · \frac{t − t′}{1 + t′ + θ · (t − t′)}

≤ |t − t′| + 2π · |t − t′| ≤ (2π + 1) · |t − t′|.

Sie erfüllt aber offensichtlich nicht die Behauptung in Theorem 2.2.

Korollar 2.4. (Charakterisierung von hyperbolisch durch dünne quasigeodätische Dreiecke). Ein geodätischer Raum ist genau dann hyperbolisch, wenn für jedes λ ≥ 0 and ϵ ≥ 0 eine Konstante μ = μ(λ, ϵ) derart existiert, dass jedes (λ, ϵ)-quasi-geodätisches Dreieck μ-dünn ist.

Definition 2.5 (Quasi-Isometrie). Eine (nicht notwendig) stetige Abbildung f: X → Y von metrischen Räumen heißt Quasi-Isometrie, falls es Konstanten λ > 0, ϵ ≥ 0 und C ≥ 0 mit folgenden Eigenschaften gibt:

(i) Für alle x_{1}, x_{2} ∈ X gilt

\frac{1}{λ} · d_{X}(x_{1}, x_{2}) − ϵ ≤ d_{Y} (f(x_{1}), f(x_{2})) ≤ λ · d_{X}(x_{1}, x_{2}) + ϵ.

(ii) Für alle y ∈ Y gilt d_{Y} (y, f(X)) ≤ C.

Falls f: X → Y eine Quasi-Isometrie ist, so existiert eine Quasi-Isometrie g: Y → X zusammen mit einer Konstanten K ≥ 0 derart, dass d_{X}(g∘f(x), x) ≤ K für alle x ∈ X und d_{Y} (f ∘ g(y), y) ≤ K für alle y ∈ Y gilt. In diesem Fall nennen wir X und Y quasi-isometrisch.

Beispiel 2.6 (Quasi-isometrische Räume).

• Endlicher Durchmesser Ein metrischer Raum hat genau dann endlichen Durchmesser, wenn er quasi-isometrisch zu {pt.} ist.

• Cayley-Graphen einer Gruppen zu verschiedenen endlichen Erzeugendensystemen sind quasi-isometrisch. Dieses Beispiel ist eines der grundlegenden Motivationen des Begriffs der Quasi-Isometrie, mit dessen Hilfe man eine entscheidende Brücke zwischen der Gruppentheorie und der metrischen Geometrie schlagen kann.

• Satz von Milnor und Švarc Sei X ein eigentlicher geodätischer Raum. Es operiere G auf X kokompakt und eigentlich. Dann ist G endlich erzeugt und der Cayley Graph von G zu einem beliebigen endlichen Erzeugendensystem ist quasi-isometrisch zu X. Insbesondere gilt für eine kompakte Riemannsche Mannigfaltigkeit M, das ihre Fundamentalgruppe endlich erzeugt und quasi-isometrisch zur universellen Überlagerung M̃ ist.

Korollar 2.4 impliziert:

Theorem 2.7 (Hyperbolisch ist invariant unter Quasi-Isometrie). Seien X und Y geodätische Räume, die quasi-isometrisch sind. Dann ist X genau dann hyperbolisch, wenn Y hyperbolisch ist.

3 Der Rand eines hyperbolischen Raums

Definition 3.1 (Asymptotische geodätische Strahlen). Zwei geodätische Strahlen c_{1}, c_{2} : [0, ∞) → X heißen asymptotisch, wenn es eine Konstante C > 0 derart gibt, dass d(c_{1}(t), c_{2}(t)) ≤ C für alle t ∈ [0, ∞) gilt.

In der Form ist diese Definition für quasi-geodätische Strahlen ungeeignet, weil sie nicht unter linearen Umparametrisierung invariant ist. Zwei geodätische Strahlen sind genau dann asymptotisch, wenn der Hausdorff-Abstand ihrer Bilder endlich ist. Analog definiert man

Definition 3.2 (Asymptotische quasi-geodätische Strahlen). Zwei quasigeodätische Strahlen c_{1}, c_{2} : [0, ∞) → X heißen asymptotisch, wenn der Hausdorff-Abstand ihrer Bilder endlich ist.

Definition 3.3 (Rand eines metrischen Raums). Sei X ein metrischer Raum. Definiere seinen Rand ∂X als die Menge der Äquivalenzklassen [c] von geodätischen Strahlen unter der Aquivalenzrelation “asymptotisch”. Setze \overline{X} = X ⨿ ∂X. Definiere ∂_{q}X als die Menge der Äquivalenzklassen [c] von quasigeodätischen Strahlen unter der Aquivalenzrelation “asymptotisch”.

Lemma 3.4 (Der Rand und quasi-geodätische Strahlen). Sei X ein eigentlicher geodätischer Raum. Sei X hyperbolisch. Dann gilt:

(i) Die kanonische Abbildung ∂X → ∂_{q}X ist bijektiv.

(ii) Zu jedem p ∈ X und ξ ∈ ∂X existiert ein geodätischer Strahl c: [0, ∞) → X mit [c] = ξ.

(iii) Zu je zwei verschiedenen Punkten ξ, η ∈ ∂X existiert eine Geodäte c: (−∞, ∞) → X derart, dass c|_{[0,∞)} den Punkt η und c^{−}: [0, ∞) → X, t ↦ c(−t) den Punkt ξ repräsentiert.

Lemma 3.5 (Asymptotische geodätische Strahlen sind uniform benachbart). Sei X ein eigentlicher geodätischer Raum, der δ-hyperbolisch ist. Dann sind asymptotische geodätische Strahlen c_{1}, c_{2} : [0, ∞) → X uniform benachbart, d.h. es gilt

(i) Es gibt T_{1}, T_{2} > 0 derart, dass für alle t ∈ [0, ∞) gilt

d(c_{1}(t + T_{1}), c_{2}(t + T_{2})) ≤ 5δ.

(ii) Falls c_{1}(0) = c_{2}(0) gilt, so folgt d(c_{1}(t), c_{2}(t)) ≤ 2δ für alle t ∈ [0, ∞).

Als nächstes beschreiben wir eine Topologie auf \overline{X} = X ⨿ ∂X.

Notation 3.6 (Verallgemeinerte geodätische Strahlen). Ein verallgemeinerter geodätischer Strahl ist ein Geodäte c: I → X, wobei I = [0, R] für ein R ≥ 0 oder I = [0, ∞) ist. Im Fall I = [0, ∞) bezeichne c(∞) ∈ ∂X die Klasse von c. Im Fall I = [0, R] definiere c(t) = c(R) für t ∈ [R, ∞]. Es ist also

\overline{X} = X ⨿ ∂X = \{c(∞) | c verallgemeinerter geodätischer Strahl\}.

Definition 3.7 (Topologie auf ∂X). Sei X ein eigentlicher hyperbolischer Raum. Wähle einen Basispunkt p ∈ X.

Eine (abzählbare) Folge (x_{n})_{n∈ℕ} in \overline{X} konvergiert gegen x ∈ \overline{X}, falls es verallgemeinerte Strahlen c_{n} mit c_{n}(0) = p und c_{n}(∞) = x_{n} mit folgender Eigenschaft gibt: Jede Unterfolge von (c_{n})_{n∈ℕ} enthält eine Unterfolge, die uniform auf kompakten Mengen gegen einen verallgemeinerten Strahl c mit c(∞) = x konvergiert.

Definiere eine Teilmenge B ⊆ \overline{X} als abgeschlossen, wenn für jede (abzählbare) Folge (x_{n})_{n∈ℕ} in B, die gegen ein x ∈ \overline{X} konvergiert, das Element x zu B gehört.

Lemma 3.8 (Elementare Eigenschaften der Topologie auf \overline{X}). Sei X ein eigentlicher δ-hyperbolischer Raum.

(i) Die obige Definition liefert eine wohldefinierte Topologie, die von der Wahl des Basispunktes p ∈ X unabhängig ist.

(ii) Sei k > 2δ. Sei c_{0} : [0, ∞) → X ein geodätischer Strahl mit c_{0}(0) = p. Für n ∈ ℕ sei V_{n}(c_{0}(∞)) die Menge der verallgemeinerten geodätischen Strahlen c mit c(0) = p und c(n) = c_{0}(n). Dann ist {V_{n}(c_{0}(∞)) | n ∈ ℕ} eine Fundamentalsystem von (nicht notwendig offenen) Umgebungen von c_{0}(∞).

Theorem 3.9 (Der Rand ist metrisierbar). Sei X ein eigentlicher hyperbolischer Raum. Dann ist \overline{X} ein kompakter metrisierbarer Raum. Die kanonische Abbildung x → \overline{X} ist ein Homöonorphismus auf ihr Bild, das eine offene und dichte Teilmenge in X ist.

Beispiel 3.10 (Rand eines CAT(0)-Raumes). Sei X ein CAT(0)-Raum. Die Definition von ∂X als Menge der Äquivalenzklassen von geodätischen Strahlen macht nach wie vor Sinn. Man kann mit Hilfe der CAT(0)-Eigenschaft eine Topologie, die sogenannte Kegel-Topologie, definieren. Falls X auch noch hyperbolisch ist, stimmt diese Topologie mit der oben konstruierten überein.

Sei M eine einfach zusammenhängende vollständige n-dimensionale Riemmannsche Mannigfaltigkeit mit nicht-negativer Schnittkrümmung. Insbesondere ist M ein CAT(0)-Raum. Die Exponentialabbildung exp: T_{x}M → ℝ^{n} ist ein Diffeomorphismus, der sich zu einem Homöomorphismus \overline{exp}: M ⨿∂M → D^{n} = ℝ^{n} ⨿ S^{n−1} fortsetzt. Insbesondere ist ∂M = S^{n−1}.

Davis and Januskiewicz haben kontraktible topologische Mannigfaltigkeiten konstruiert, die eine eigentliche CAT(0)-Metrik und eine freie eigentliche kokompakte Operation einer diskreten Gruppe G durch Isometrien besitzen, für die ∂M aber nicht homöomorph zu einer Sphäre ist. Der Quotient G\M ist eine topologische asphärische Mannigfaltigkeit, deren universelle Überlagerung nicht homöomorph zu ℝ^{n} ist.

Beispiel 3.11 (Die universelle Überlagerung von S^{1} ∨ S^{1}). Die universelle Überlagerung X von S^{1} ∨S^{1} ist ein Baum mit einer kokompakten freien eigentlichen isometrischen Operation der freien Gruppe ℤ ∗ ℤ. Man kann ihn auch als den Cayley-Graphen bezüglich des Standard-Erzeugendensystems auffassen. Sein Rand ∂X ist ein Cantor-Teilmenge von S^{1}.

Theorem 3.12 (Der Rand ist eine Quasi-Isometrie-Invariante). Sei f: X → Y eine Quasi-Isometrie von hyperbolischen Räumen. Dann induziert sie einen Homöomorphismus f: ∂X → ∂Y.

Insbesondere sind H^{m} und H^{m} genau dann quasi-isometrisch, wenn m = n gilt.

4 Hyperbolische Gruppen

Definition 4.1 (Hyperbolische Gruppe). Eine endlich erzeugte Gruppe heißt hyperbolisch, wenn ihr Cayley Graph bezüglich eines (und daher aller) symmetrischer endlicher Erzeugendensysteme ein hyperbolischer Raum ist.

Hier ist eine Liste der wichtigsten Eigenschaften hyperbolischer Gruppen:

• Jede hyperbolische Gruppe ist endlich präsentiert.

• Es gibt nur endlich viele Konjugationsklassen von endlichen Untergruppen in einer hyperbolischen Gruppe.

• Zentralisatoren von unendlichen zyklischen Untergruppen sind virtuell zyklisch. Sei C ⊆ G eine unendliche zyklische Untergruppe der hyperbolischen Gruppe G. Dann hat C in ihrem Zentralisator endlichen Index. Insbesondere ist ℤ^{2} keine Untergruppe von G.

• Eine hyperbolische Gruppen ist niemals eine unendliche Torsionsgruppe.

• Sei {g_{1}, g_{2} …, g_{r}} eine endliche Teilmenge der hyperbolischen Gruppe G. Dann gibt es ein n ∈ ℕ derart, dass die von {g_{1}^{n}, g_{2}^{n}, …, g_{r}^{n}} erzeugte Untergruppe frei ist.

• Hyperbolisch ist äquivalent zur Existenz einer Dehn-Präsentation Eine Dehn-Präsentation einer Gruppe ist eine endliche Liste von Wörtern u_{1}, v_{1}, u_{2}, v_{2}, …, u_{n}, v_{n} derart, dass u_{1} = v_{1}, u_{2} = v_{2}, …, u_{n} = v_{n} in G ist, |v_{i}| < |u_{i}| für i = 1, 2, …, n gilt und ein Wort w genau dann das Eins-Element repräsentiert, wenn es eines der u_{i} als Unterwort enthält. Offensichtlich gibt es dann einen Algorithmus, den Dehn-Algorithmus, der entscheidet, ob ein Wort das Eins-Element repräsentiert. Insbesondere ist das Wort-Problem lösbar, wenn eine Gruppe eine Dehn-Präsentation besitzt.

• Das freie Produkt zweier hyperbolischer Gruppen ist wieder hyperbolisch.

• Das Konjugations-Problem ist für eine hyperbolischen Gruppe lösbar.

• Das Isomorphie-Problem ist für torsionsfreie hyperbolische Gruppen lösbar. Seien G_{1} und G_{2} zwei Gruppen, von denen bekannt ist, dass sie torsionsfrei und hyperbolisch sind. Seien jeweils eine Präsentation von G_{1} und G_{2} gegeben. Dann gibt es einen Algorithmus von Zela, der nach endlicher Zeit entscheidet, ob die Gruppen isomorph sind.

• Rationalität der Wachstumsreihen einer hyperbolischen Gruppe. Sei G eine Gruppe mit endlichem symmetrischen Erzeugendensystem S. Sei α_{G;S}(n) bzw. β_{G,S}(n) die Anzahl der Elemente in G mit d_{S}(g) = n bzw. d_{S}(g) ≤ n. Definiere formale Potenzreihen

ζ_{G,S}(t) = ∑_{n=0}^{∞} α_{G,S}(n) · t^{n};

f_{G,S}(t) = ∑_{n=0}^{∞} β_{G,S}(n) · t^{n}.

Es gilt ζ_{G,S}(t) = (1 − t) · f_{G,S}(t). Falls G hyperbolisch ist, sind beide formale Potenzreihen rational.

• Der Rand einer hyperbolischen Gruppe ist eine Sphäre oder wild Sei G eine unendliche hyperbolische Gruppe. Sei ∂G der Rand ihres Cayley-Graphen für irgendein symmetrisches endliches Erzeugendensystems. Falls ∂G eine offene Teilmenge enthält, die homöomorph zu ℝ^{n} ist, so ist ∂G homöomorph zu S^{n−1}.

• Charakterisierung von virtuell Fuchsschen Gruppen Sei G hyperbolisch. Dann ist ∂G genau dann homöomorph zu S^{1}, wenn G virtuell eine Fuchssche Gruppe ist.

• Virtuelle kohomologische Dimension Sei G eine virtuell torsionsfreie hyperbolische Gruppe. Dann ist die virtuelle Dimension von G gleich der Summe der Hausdorff-Dimension von ∂G und Eins.

5 Der Rips-Komplex

Definition 5.1 (Rips Komplex). Sei X ein metrischer Raum und R > 0. Der Rips Komplex ist die geometrische Realisierung der simplizialen Menge, deren n-Simplices aus (n+1)-dimensionalen Teilmengen von einem Durchmesser ≤ R besteht.

Theorem 5.2 (Der Rips-Komplex ist kontraktibel). Sei X ein δ-hyperbo-lischer Raum. Sei Y ⊆ X eine r-dichte Menge, d.h zu x ∈ X gibt es y ∈ Y mit d_{X}(x, y) ≤ r. Dann ist der Rips-Komplex P_{d}(Y) kontraktibel, falls d ≥ 4δ + 6r gilt.

Theorem 5.3 (Der Rips -Komplex ist ein endliches Model für \underline{E}G). Sei G eine hyperbolische Gruppe. Fasse G als metrischen Raum bezüglich der Wort-Metrik für ein symmetrisches endliches Erzeugendensystems auf. Dann ist für genügend großes d > 0 die baryzentrische Unterteilung des Rips-Komplexes P_{d}(G) ein endliches G-CW -Modell für \underline{E}G.

Korollar 5.4 (Weitere Eigenschaften hyperbolischer Gruppen). Sei G eine hyperbolische Gruppe. Dann gilt:

(i) BG ist vom endlichen Typ.

(ii) Falls G torsionfrei ist, ist BG endlich.

(iii) Falls G virtuell torsionsfrei ist, dann ist die virtuelle kohomologische Dimension endlich.

(iv) H_{p}(G; ℚ) and H^{p}(G; ℚ) sind für alle p endlich erzeugte ℚ-Moduln und verschwinden für hinreichend große p.

6 Offene Fragen

• Ist jede hyperbolische Gruppe residuell endlich?

• Ist jede hyperbolische Gruppe virtuell torsionsfrei?

References

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