施瓦茨-米爾諾引理

施瓦茨－米爾諾（Schwarz–Milnor或Švarc–Milnor）引理，是數學上的一個結果，給出了群和在度量空間上的群作用的關係。阿爾伯特·施瓦茨首先發現這個結果，十數年後約翰·米爾諾重新發現。這條引理有時稱為幾何群論基本定理。有了這條引理，就可以由度量空間的幾何性質，來研究群的性質。

定義

設X為一個度量空間。如果X每兩點都有測地線相連，就稱X為測地的。

如果X中每一個閉球都是緊緻集，就稱X為常態的。考慮X中從某點$x^{\prime }$量度距離的函數$d_{x^{\prime }}:X\to [0,\mathrm{\infty })$

$d_{x^{\prime }}(x):=d_X(x,x^{\prime })$

那麼閉球$\overline{B(x^{\prime },a)}$是緊緻區間[0,a]在$d_{x^{\prime }}$下的原像。因此，閉球都是緊緻集這個條件，便等價於所有形如$d_{x^{\prime }}$的距離函數都是常態映射。這就是稱度量空間X為常態的原因。

一個群G在X上的群作用稱為真不連續的，如果對每個緊緻集$K\subset X$，G中只有有限個元素g，使得$g\cdot K\cap K\ne \varnothing$。這個群作用稱為餘緊的，如果存在一個緊緻集$K^{\prime }\subset X$，使得$G\cdot K^{\prime }=X$。

引理敘述

設X為一個常態測地度量空間。如果一個群G以等距映射真不連續地、餘緊地作用在X上，那麼G是有限生成群。而且G中用一個有限生成集合S賦予G以字度量後，和X擬等距同構；對於X的任何一點$x_0$，映射$g\mapsto g\cdot x_0$都是從G到X的擬等距映射。

證明

G中任何有限生成集合所對應的字度量，都是擬等距同構。故此只需找到一個有限生成集合S，證明在G上取對應S的字度量後，和X是擬等距同構即可。

選定$x_0\in X$。因為群作用是餘緊的，存在$r>0$，使得$B(x_0,r)$在G的作用下覆蓋X。

取G的一個子集

$S=\{g\in G\setminus \{e\}|d_X(x_0,g\cdot x_0)<2r+1\}$

G的元素g若在子集S內，則有

$g\cdot \overline{B(x_0,r+1/2)}\cap \overline{B(x_0,r+1/2)}\ne \varnothing$

X是常態度量空間，故$\overline{B(x_0,r+1/2)}$是緊緻集，又因群作用是真不連續的，所以這樣的g僅有有限個。因此S是有限集。

對G中任何非平凡元素g，有一條測地線段連接兩點$x_0$和$g\cdot x_0$。設k為整數，符合

$k\le d_X(x_0,g\cdot x_0)<k+1$

在這條測地線段上取點$x_j$，j=1,..., k+1，滿足$d_X(x_{j-1},x_j)\le 1$。

對每一點$x_j$，都存在G中的元素$g_j$，使得$x_j\in g_j\cdot B(x_0,r)$。可指定$g_0=e$, $g_{k+1}=g$。如果$g_{j-1}\ne g_j$，則有$g_{j-1}^{-1}{g}_j\in S$，因為

$\begin{array}{cc}& d_X(x_0,g_{j-1}^{-1}{g}_j\cdot x_0)\\ =& d_X(g_{j-1}\cdot x_0,g_j\cdot x_0)\\ \le & d_X(g_{j-1}\cdot x_0,x_{j-1})+d_X(x_{j-1},x_j)+d_X(x_j,g_j\cdot x_0)\\ <& r+1+r=2r+1\end{array}$

由此得出g是由最多k+1個S的元素的積。因此S是G的生成集合，而且對所有g都有

$d_S(e,g)\le d_X(x_0,g\cdot x_0)+1$

取$c=\underset{s\in S}{\max }{d}_X(x_0,s\cdot x_0)$，用三角不等式得出

$d_X(x_0,g\cdot x_0)\le c{d}_S(e,g)$

對任何$g,h\in G$，有

$d_X(g\cdot x_0,h\cdot x_0)=d_X(x_0,g^{-1}h\cdot x_0)$

$d_S(g,h)=d_S(e,g^{-1}h)$

故此從以上兩條不等式可以得出

$d_S(g,h)-1\le d_X(g\cdot x_0,h\cdot x_0)\le c{d}_S(g,h)$

而且X中每一點x都距離某個$g\cdot x_0$不超過r，所以$g\mapsto g\cdot x_0$是擬等距映射，G和X是擬等距同構。