수학 개념 지도
집합론(Set theory)

단사·전사·전단사(Injection, surjection, bijection)

함수⁠(function)⁠가 서로 다른 입력을 서로 다른 곳으로 보내면 단사⁠(injective)⁠, 모든 곳에 닿으면 전사⁠(surjective)⁠, 둘 다면 전단사(일대일대응)이다.

f:A→B 전단사  ⟺  f−1:B→A 가 존재f: A \to B \text{ 전단사} \iff f^{-1}: B \to A \text{ 가 존재}
먼저 보면 좋은 개념함수집합

함수 f:A→Bf: A \to B를 화살표 묶음으로 그려 봅시다. 화살표 끝이 겹치지 않으면(서로 다른 입력 → 서로 다른 출력) 단사, B의 모든 원소⁠(element)⁠에 화살표가 닿으면 전사, 둘 다면 전단사입니다. 지금 보는 함수는 입니다.

빨간 고리는 아무 화살표도 닿지 않은 원소, 주황 점은 화살표가 두 개 이상 닿은 원소입니다. 전단사⁠(bijective)⁠일 때만 청록색 역화살표를 그릴 수 있습니다.

전단사는 짝짓기입니다. 모든 원소가 정확히 한 짝을 가지니 화살표를 뒤집으면 역함수⁠(inverse function)⁠가 됩니다. 그래서 두 집합⁠(set)⁠ 사이에 전단사가 있을 때 "크기가 같다"고 정의하고, 끝까지 셀 수 없는 무한집합의 크기는 바로 이 기준으로 비교합니다(집합의 크기⁠(cardinality)⁠). 원소를 보지 않고 '되돌리는 함수가 있다'는 이 성질만 떼어 낸 것이 범주론⁠(category theory)⁠의 동형 사상⁠(isomorphism)⁠이고, 집합과 함수의 범주⁠(category)⁠에서 동형 사상이 곧 전단사입니다. 크기가 다른 유한집합 사이에는 전단사가 없습니다. A가 B보다 크면 어딘가 반드시 겹쳐 단사가 될 수 없고(비둘기집 원리⁠(pigeonhole principle)⁠), 작으면 B에 남는 원소가 생겨 전사가 될 수 없습니다.

곱셈도 전단사일 수 있습니다. 시계 위의 수 0,1,…,n−10, 1, \dots, n-1에 a=a = 를 곱하고 n=n = 으로 나눈 나머지⁠(remainder)⁠를 취하는 함수(모듈러 연산⁠(modular arithmetic)⁠)는

각 점 k에서 a·k mod n으로 화살표를 그렸습니다.

전단사가 될 조건은 gcd⁡(a,n)=1\gcd(a, n) = 1입니다(최대공약수⁠, greatest common divisor⁠). 서로소⁠(coprime)⁠일 때만 곱셈을 되돌리는 "나눗셈", 곧 곱해서 1이 되는 수(역원⁠, inverse element⁠)가 존재합니다. 이것이 RSA 암호⁠(RSA cryptosystem)⁠ 같은 암호의 바탕입니다. 선형대수⁠(linear algebra)⁠에서도 똑같습니다. 행렬⁠(matrix)⁠이 나타내는 변환이 전단사이려면 행렬이 정사각이어야 하고(입력과 출력의 차원이 같아야 하고), 정사각행렬⁠(square matrix)⁠에서는 전단사인 것이 역행렬⁠(inverse matrix)⁠이 있다는 것, 곧 행렬식⁠(determinant)⁠이 0이 아니라는 것과 같습니다(연립일차방정식과 역행렬⁠, linear systems and inverse matrices⁠).

전단사는 세기의 도구이기도 합니다. 똑같은 사탕 n개를 k명에게 나누는 방법(한 개도 못 받는 사람이 있어도 됨)은 별 n개와 막대 k−1k-1개를 한 줄로 늘어놓는 방법과 일대일로 짝지어지니 이항계수⁠(binomial coefficient)⁠ (n+k−1k−1)\binom{n+k-1}{k-1}로 셀 수 있습니다(별과 막대⁠, stars and bars⁠). 두 무리가 같은 수이고 저마다 받아들일 수 있는 상대가 정해져 있을 때, 모두가 짝을 얻는 짝짓기는 곧 전단사입니다. 그런 짝짓기가 언제 가능한지는 홀의 정리⁠(Hall's theorem)⁠가 알려 줍니다.

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정수론과 암호 나머지로 지키는 비밀 한 번도 만난 적 없는 두 사람이 모두가 엿듣는 통신망에서 비밀 열쇠를 맞출 수 있을까? 답은 시계의 산수와 1640년 페르마의 정리에 있다. 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 비유클리드 기하 평행선의 반란 유클리드의 다섯 번째 공준은 2,000년 동안 증명되지 않았다. 증명을 포기한 사람들이 찾은 것은 새로운 우주였다. 계산언어학 말을 세는 기계 문법은 규칙일까, 확률일까? 파니니의 문법에서 촘스키의 위계, 섀넌의 영어 엔트로피, 오늘날의 언어 모델까지. 조합론 세지 않고 세기 시의 운율을 세던 인도의 운율학자부터 오일러의 생성함수까지. 하나하나 늘어놓지 않고 경우의 수를 세는 법은 어떻게 자라났을까? 매칭과 흐름 짝을 찾는 알고리즘 의대 졸업생과 병원, 신장 기증자와 환자, 철도와 화물. 누구를 누구와 이을지 정하는 수학은 냉전의 철도 지도에서 노벨 경제학상까지 이어진다. 수학의 오류 틀린 증명이 만든 수학 틀린 증명은 흔하다. 드물게, "정확히 어디가 틀렸는가"라는 물음이 새 분야를 낳는다. 코시의 합 정리와 균등 수렴, 라메의 증명과 아이디얼, 켐프의 사슬, 푸앵카레의 회수된 논문과 혼돈, 프레게의 법칙과 러셀의 편지, 보예보츠키와 증명 보조기까지. 오류는 대개 서로 다른 두 가지를 하나로 여긴 자리에 있었다.

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