Ash's type II theorem, profinite topology and Malcev products

Kersten Henckel, Stuart W. Margolis, Jean-Éric Pin et John Rhodes


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Résumé : Cet article analyse les nombreuses conséquences de la solution donnée par Ash de la conjecture dite "Type II" pour les monoïdes finis. Après un rappel de l'énoncé et de l'historique du problème, on montre comment il peut être utilisé pour décider si un monoïde fini est dans la variété engendrée par le produit de Malcev d'une variété donnée et de la variété des groupes. Plusieurs variétés de monoïdes intéressantes possèdent une description de ce type, comme les variétés engendrées respectivement par les monoïdes inversifs, orthodoxes ou solides. Un cas fascinant est celui des bloc-groupes. Un bloc-groupe est un monoïde dans lequel chaque élément possède au plus un inverse (au sens des semigroupes). Une conséquence de la conjecture du revêtement --- également démontrée par Ash --- est que les bloc-groupes sont précisément les diviseurs des monoïdes des parties des groupes finis. La preuve de ce résultat utilise à la fois des résultats déjà publiés des auteurs et les résultats et outils les plus profonds de la théorie globale des semigroupes. On explore ensuite les connections avec les topologies profinies de groupe sur des monoïdes et des groupes libres de type fini. En particulier, on montre que la conjecture de type II est équivalente à deux autres conjectures sur la structure des ensembles fermés (l'une de ces conjectures est formulée pour le monoïde libre, l'autre pour le groupe libre). Maintenant, le théorème de Ash entraîne la valaditié de ces deux conjectures topologiques, dont une preuve directe a été donnée récemment par Ribes et Zalesskii dans le cas du groupe libre. Une conséquence importante est qu'un sous-ensemble rationnel d'un groupe libre de type fini G est fermé dans la topologie profinie si et seulement si il est union finie d'ensembles de la forme gH1H2... Hn, où chaque Hi est un sous-groupe de type fini de G. Ce résultat étend de façon significative des résultats classiques de M. Hall. Finalement, nous revenons aux sources du problème et nous établissons des liens avec la théorie de la complexité des semigroupes finis. Nous montrons que la fonction de complexité la plus large au sens de Rhodes et Tilson est calculable.

Abstract : This paper is concerned with the many deep and far reaching consequences of Ash's positive solution of the type II conjecture for finite monoids. After rewieving the statement and history of the problem, we show how it can be used to decide if a finite monoid is in the variety generated by the Malcev product of a given variety and the variety of groups. Many interesting varieties of finite monoids have such a description including the variety generated by inverse monoids, orthodox monoids and solid monoids. A fascinating case is that of block groups. A block group is a monoid such that every element has at most one semigroup inverse. As a consequence of the cover conjecture --- also verified by Ash --- it follows that block groups are precisely the divisors of power monoids of finite groups. The proof of this last fact uses earlier results of the authors and the deepest tools and results from global semigroup theory. We next give connections with the profinite group topologies on finitely generated free monoids and free groups. In particular, we show that the type II conjecture is equivalent with two other conjectures on the structure of closed sets (one conjecture for the free monoid and another one for the free group). Now Ash's theorem implies that the two topological conjectures are true and independently, a direct proof of the topological conjecture for the free group has been recently obtained by Ribes and Zalesskii. An important consequence is that a rational subset of a finitely generated free group G is closed in the profinite topology if and only if it is a finite union of sets of the form gH1H2... Hn, where each Hi is a finitely generated subgroup of G. This significantly extends classical results by M. Hall. Finally we return to the roots of this problem and give connections with the complexity theory of finite semigroups. We show that the largest local complexity function in the sense of Rhodes and Tilson is computable.

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