คำตอบคือใช่ สมมติว่าเรามีตัวประกอบQ = ⋅Q=A⋅B B
หนึ่งสังเกตง่ายคือและBจะต้องเคลื่อน (ตั้งแต่W ∈ ∩ Bที่เราได้รับW 2 ∈ Q ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพียงหนึ่งใน, Bสามารถมีε เราสามารถสมมติ WLOG (ตั้งแต่กรณีอื่น ๆ ที่เป็นสมมาตรสมบูรณ์) ที่ε ∈ B จากนั้นตั้งแต่และขไม่สามารถเป็นปัจจัยหนึ่งในปัจจัยที่ไม่ว่างเปล่าเราจะต้องมี, ข∈ABw∈A∩Bw2∈QA,Bϵϵ∈Baba,b∈A
ต่อไปเราจะได้รับที่มขn ∈ (และสมบูรณ์ analogously, ขเมตรn ∈ ) สำหรับทุกเมตร, n > 0โดยการเหนี่ยวนำในม :ambn∈Abman∈Am,n>0m
สำหรับม. = 1m=1ตั้งแต่ขn ∈ Qเราจะต้องมีขn = U vกับยู∈ , วี∈ B ตั้งแต่ยู≠ ε , โวลต์จะต้องเป็นขkสำหรับบางk ≤ n แต่ถ้าk > 0ดังนั้นตั้งแต่b ∈ Aเราจะได้b 1 + k ∈ Qความขัดแย้ง ดังนั้นabn∈Qabn=uvu∈A,v∈Bu≠ϵvbkk≤nk>0b∈Ab1+k∈QV = εv=ϵและขn ∈abn∈A
สำหรับขั้นตอนการอุปนัยตั้งแต่เมตร+ 1ขn ∈ Qเรามีเมตร+ 1ขn = U vกับยู∈ , วี∈ B ตั้งแต่คุณ≠ ϵอีกครั้งเรามีv = a k b nสำหรับบาง0 < k < m + 1หรือv = b kสำหรับบางk <am+1bn∈Qam+1bn=uvu∈A,v∈Bu≠ϵv=akbn0<k<m+1v=bkk<nn แต่ในกรณีก่อนหน้านี้ vvอยู่ใน AAโดยสมมติฐานการเหนี่ยวนำดังนั้น v 2 ∈ Qv2∈Qขัดแย้งกัน ในกรณีหลังนี้เราจะต้องมี k = 0k=0 (คือ V = εv=ϵ ) ตั้งแต่จากข∈b∈Aเราได้รับข1 + k ∈b1+k∈Q Q ดังนั้น U = เมตร+ 1ขn ∈u=am+1bn∈A
ตอนนี้พิจารณากรณีทั่วไปของคำดั้งเดิมกับRr alternations ระหว่างและขคือWเป็นทั้งม. 1ขn 1 ... เมตรsขn s , ขม. 1 n 1 ... ขเมตรs n s (สำหรับR = 2 s - 1 ), a m 1 b n 1 … a m sabwam1bn1…amsbnsbm1an1…bmsansr=2s−1 + 1am1bn1…ams+1หรือb m 1 a n 1 …bms+1bm1an1…bms+1 (for r=2sr=2s); we can show that they are all in AA using induction on rr. What we did so far covered the base cases r=0r=0 and r=1r=1.
For r>1r>1, we use another induction on m1m1, which works very much the same way as the one for r=1r=1 above:
If m1=1m1=1, then w=uvw=uv with u∈A,v∈Bu∈A,v∈B, and since u≠ϵu≠ϵ, vv has fewer than rr alternations. So vv (or its root in case vv itself is not primitive) is in AA by the induction hypothesis on rr for a contradiction as above unless v=ϵv=ϵ. So w=u∈Aw=u∈A.
If m1>1m1>1, in any factorization w=uvw=uv with u≠ϵu≠ϵ, vv either has fewer alternations (and its root is in AA unless v=ϵv=ϵ by the induction hypothesis on rr), or a shorter first block (and its root is in A unless v=ϵv=ϵ by the induction hypothesis on m1m1). In either case we get that we must have v=ϵv=ϵ, i.e. w=u∈Aw=u∈A.
The case of Q′:=Q∪{ϵ}Q′:=Q∪{ϵ} is rather more complicated. The obvious things to note are that in any decomposition Q=A⋅BQ=A⋅B, both AA and BB must be subsets of Q′Q′ with A∩B={ϵ}A∩B={ϵ}. Also, a,b must be contained in A∪B.
With a bit of extra work, one can show that a and b must be in the same subset. Otherwise, assume wlog that a∈A and b∈B. Let us say that w∈Q′ has a proper factorization if w=uv with u∈A∖{ϵ} and v∈B∖{ϵ}. We have two (symmetric) subcases depending on where ba goes (it must be in A or B since it has no proper factorization).
- If ba∈A, then aba has no proper factorization since ba,a∉B. Since aba∈A would imply abab∈A⋅B, we get aba∈B. As a consequence, bab is neither in A (which would imply bababa∈A⋅B) nor in B (which would imply abab∈A⋅B). Now consider the word babab. It has no proper factorization since bab∉A∪B and abab,baba are not primitive. If babab∈A, then since aba∈B we get (ba)4∈A⋅B; if babab∈B, then since a∈A we get (ab)3∈A⋅B. So there is no way to have babab∈A⋅B, contradiction.
- The case ba∈B is completely symmetric. In a nutshell: bab has no proper factorization and cannot be in B, so it must be in A; therefore aba cannot be in A or B; therefore ababa has no proper factorization but also cannot be in either A or B, contradiction.
I am currently not sure how to proceed beyond this point; it would be interesting to see if the above argument can be systematically generalized.