Odpowiedź brzmi tak. Załóżmy, że mamy faktoryzacji Q = A ⋅ BQ=A⋅B .
Jedną łatwą obserwacją jest to, że AA i BB muszą być rozłączne (ponieważ dla w ∈ A ∩ Bw∈A∩B otrzymujemy w 2 ∈ Qw2∈Q ). W szczególności tylko jeden z A , BA,B może zawierać ϵϵ . Możemy założyć wlog (ponieważ druga sprawa jest całkowicie symetryczny), że ε ∈ Bϵ∈B . Następnie od i b nie może być uwzględnione niepustych czynników, musimy mieć , b ∈ A .aba,b∈A
Następnie otrzymujemy, że a m b n ∈ Aambn∈A (i całkowicie analogicznie, b m a n ∈ Abman∈A ) dla wszystkich m , n > 0m,n>0 przez indukcję na mm :
Dla m = 1m=1 , od a b n ∈ Qabn∈Q , musimy w B n = u vabn=uv o u ∈ A , v ∈ Bu∈A,v∈B . Ponieważ u ≠ ϵu≠ϵ , vv musi być b kbk dla niektórych k ≤ nk≤n . Ale jeśli k > 0k>0 , to skoro b ∈ Ab∈A otrzymujemy b 1 + k ∈ Qb1+k∈Q , sprzeczność. WięcV = εv=ϵ i b n ∈ . abn∈A
W etapie indukcyjnym, ponieważ jest m + 1 b n ∈ Qam+1bn∈Q mamy do m + 1 b, n = u vam+1bn=uv o u ∈ A , v ∈ Bu∈A,v∈B . Od tego czasu u ≠ ϵu≠ϵ mamy albo v = a k b nv=akbn dla niektórych 0 < k < m + 10<k<m+1 , albo v = b kv=bk dla niektórych k < nk<n . Ale w pierwszym przypadku vv jest już w AA według hipotezy indukcyjnej, więc v 2 ∈ Qv2∈Q , sprzeczność. W tym ostatnim przypadku, musimy mieć k = 0k=0 (czyli v = εv=ϵ ), ponieważ od b ∈b∈A otrzymujemy b 1 + k ∈ Qb1+k∈Q . Tak więc u = a m + 1 , b n ∈ Au=am+1bn∈A .
Rozważmy teraz przypadek ogólny pierwotnych słów z rr naprzemiennie pomiędzy i b , to w oznacza albo m 1 b n 1 ... danej M s b n a , b m 1 n 1 ... b m s n s (dla R = 2 s - 1 ), a m 1 b n 1 … a m sabwam1bn1…amsbnsbm1an1…bmsansr=2s−1+1am1bn1…ams+1, or bm1an1…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 A and B must be subsets of Q′ with 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.