উত্তরটি হল হ্যাঁ. মনে করুন আমাদের একটি গুণক প্রশ্ন রয়েছে = = A ⋅ BQ=A⋅B ।
এক সহজ পর্যবেক্ষণ করে একটিA এবং বিB অসংলগ্ন করা হতে হবে (যেহেতু জন্য W ∈ একটি ∩ বিw∈A∩B আমরা পেতে W 2 ∈ প্রশ্নw2∈Q )। বিশেষ করে, মাত্র এক একজন , বিA,B ধারণ করতে পারে εϵ । আমরা ওয়েলগ ধরে নিতে পারি (যেহেতু অন্য কেসটি সম্পূর্ণ প্রতিসাম্যযুক্ত) যা ϵ ∈ বিϵ∈B । তারপরে যেহেতু aa এবং bb খালি খালি কারণগুলির মধ্যে ফ্যাক্টর করা যায় না, তাই আমাদের অবশ্যই a , b ∈ A থাকতে হবেa,b∈A ।
পরবর্তী আমরা পেতে যে একটি মিটার খ এন ∈ একটিambn∈A (এবং, সম্পূর্ণ অনুরূপভাবে, খ মি একটি এন ∈ একটিbman∈A ) সব জন্য মি , এন > 0m,n>0 আনয়ন করে মিm :
জন্য মি = 1m=1 , যেহেতু একটি খ এন ∈ প্রশ্নabn∈Q , আমরা থাকতে হবে একটি খ এন = U vabn=uv সঙ্গে তোমার দর্শন লগ করা ∈ একজন , ভি ∈ বিu∈A,v∈B । যেহেতু আপনি ≠ ϵu≠ϵ , vv অবশ্যই কিছু কে ≤ n এর জন্য বি কেbk হতে হবে । তবে যদি কে > 0 , তবে খ ∈ এ যেহেতু আমরা খ 1 + কে ∈ কিউ ভি = পেয়েছিk≤nk>0b∈Ab1+k∈Q , বৈপরীত্য। সুতরাং ϵv=ϵ , এবং একটি খ n ∈ এabn∈A ।
প্রস্তাবনামূলক পদক্ষেপ স্বরূপ, যেহেতু একটি মি + + 1 খ এন ∈ প্রশ্নam+1bn∈Q আমরা আছে একটি মি + + 1 খ এন = U vam+1bn=uv সঙ্গে তোমার দর্শন লগ করা ∈ একজন , ভি ∈ বিu∈A,v∈B । আবার যেহেতু তোমার দর্শন লগ করা ≠ εu≠ϵ , আমরা হয় আছে বনাম = একটি ট খ এনv=akbn কিছু 0 < ট < মি + + 10<k<m+1 , বা বনাম = খ টv=bk কিছু ট < এনk<n । তবে আগের ক্ষেত্রে, ভিv ইতিমধ্যে রয়েছেAA by the induction hypothesis, so v2∈Qv2∈Q, contradiction. In the latter case, we must have k=0k=0 (i.e. v=ϵv=ϵ) since from b∈Ab∈A we get b1+k∈Qb1+k∈Q. So u=am+1bn∈Au=am+1bn∈A.
Now consider the general case of primitive words with rr alternations between aa and bb, i.e. ww is either am1bn1…amsbnsam1bn1…amsbns, bm1an1…bmsansbm1an1…bmsans (for r=2s−1r=2s−1), am1bn1…ams+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 AA and BB must be subsets of Q′Q′ with A∩B={ϵ}A∩B={ϵ}. Also, a,ba,b must be contained in A∪BA∪B.
With a bit of extra work, one can show that aa and bb must be in the same subset. Otherwise, assume wlog that a∈Aa∈A and b∈Bb∈B. Let us say that w∈Q′w∈Q′ has a proper factorization if w=uvw=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.