Amenable actions of discrete groups
THESE`
pr´esent´ee`ala Facult´edes Sciences pour l’obtention du grade de Docteur `es Sciences par
Soyoung Moon
Th`esesoutenue le 3 d´ecembre 2009, en pr´esencedes membres du jury :
Prof. Alain Valette directeur de th`ese Prof. Goulnara Arjantseva rapporteur (Universit´ede Neuchˆatel) Prof. Tullio Ceccherini-Silberstein rapporteur (Universit`adel Sannio) Dr. Paul Jolissaint (Universit´ede Neuchˆatel) Prof. Nicolas Monod rapporteur (EPFL)
Institut de Math´ematiques,Universit´ede Neuchˆatel Rue Emile Argand 11, CP 158, 2009 Neuchˆatel- Suisse
4 R´esum´e
Cette th`eseporte sur la question de la moyennabilit´edes actions de groupes discrets. L’objectif de cette th`ese est l’´etude de la classe A des groupes d´enombrables admettant une action moyennable, fid`eleet transitive sur un en- semble d´enombrable infini. Un des r´esultatsprincipaux de ce travail est de d´emontrer que tout sous-groupe d’indice fini d’un produit amalgam´ede deux groupes libres au dessus d’un sous-groupe cyclique (en particulier les groupes de surfaces) est contenue dans A. En outre, des propri´et´esh´er´editaires de la classe A sont ´etablies,et de plus des r´esultatssur les groupes de Coxeter `aangle droit sont pr´esent´es.
Mots cl´es. Actions moyennables de groupes, groupes `a1-relateur cycliquement pinc´e,groupes de Coxeter `aangle droit, automorphismes de graphes avec infinit´e de bouts.
Keywords. amenable actions of groups, cyclically pinched 1-relator groups, right-angled Coxeter groups, automorphisms of infinitely many ended graphs.
5 6 Remerciements
J’aimerais tout d’abord exprimer mes plus grands remerciements `amon di- recteur de th`ese,Alain Valette. Son soutien, sa comp´etenceet sa disponibilit´e ont ´et´eun apport d´ecisifpour ce travail. Ses pr´ecieusesconseils et ses encour- agements tout au long de mon travail ainsi que la confiance qu’il a su m’accorder m’ont permis de mener ce travail `aterme. J’adresse ensuite mes sinc`eresremerciements aux autres membres de jury de th`ese, Goulnara Arjantseva, Tullio Ceccherini-Silberstein, Paul Jolissaint et Nicolas Monod, pour leur lecture attentive et leurs suggestions pr´ecieuses. Je voudrais remercier en particulier Nicolas Monod pour m’avoir incit´e`a´etudier la classe A, ce qui m’a permis de obtenir de nombreux r´esultatsde cette th`ese. J’exprime aussi ma reconnaissance `aYves Stalder pour les remarques qui m’ont permis d’am´eliorerla qualit´edu texte pr´esent´e`al’annexe C. Je tiens `aremercier ´egalement tous les collaborateurs de l’institut pour l’ambiance de travail tr`eschaleureuse. Finalement je remercie Corsin et ma famille ainsi que Nancy pour leurs encouragements.
Soyoung Moon Neuchˆatel,d´ecembre 2009
7 8 Contents
1 Introduction 11
2 Preliminaries 15 2.1 Free products and amalgamated free products ...... 15 2.1.1 Free groups and group presentations ...... 15 2.1.2 Free products ...... 16 2.1.3 Free products with amalgamation ...... 18 2.1.4 Bass-Serre theory ...... 20 2.1.5 Free product of free groups with cyclic amalgamation . . 23 2.2 Amenability ...... 24 2.2.1 Equivalent definitions ...... 24 2.2.2 Stability properties ...... 26 2.2.3 Non-amenable groups ...... 27 2.2.4 Kazhdan’s property (T) ...... 29
3 Amenable actions and ends of graphs 31 3.1 Ends of graphs ...... 31 3.2 Ends of groups ...... 33 3.3 Amenable actions on graphs with infinitely many ends ...... 35
4 Amenable actions and the class A 37 4.1 Definitions and generalities ...... 37 4.2 The class A ...... 39 4.3 Amalgamated free products case ...... 42 4.3.1 Double of F2 over Z ...... 42 4.3.2 Cyclically pinched one-relator groups ...... 44 4.4 Hereditary properties ...... 46 4.4.1 Double of amenable groups ...... 46 4.4.2 Amalgamated free products over a finite subgroup . . . . 47 4.4.3 Central extensions ...... 52
5 Right-angled Coxeter groups and related topics 55 5.1 Right-angled Coxeter groups ...... 55 5.1.1 Definitions and examples ...... 55 5.1.2 Surjective homomorphism of W (Γ) onto Z/2Z ...... 56
9 10 CONTENTS