수학 개념 지도
집합론(Set theory)

칸토어 집합(Cantor set)

구간에서 가운데 3분의 1을 끝없이 지워 남은 점들. 전체 길이는 0인데 점은 실수⁠(real number)⁠만큼이나 많다.

∑k=0∞13(23)k=1\sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{3}\left(\frac{2}{3}\right)^k = 1

구간 [0,1][0, 1]에서 가운데 3분의 1을 지웁니다. 남은 두 조각에서 또 가운데 3분의 1씩을 지우고, 이것을 끝없이 반복합니다. 깊이 까지 지웠습니다.

매 단계 남은 길이가 2/32/3배가 되니, dd단계 뒤 남은 길이는 , 지운 길이는 입니다. 끝까지 지운 길이는 등비급수⁠(geometric series)⁠ 13+29+427+⋯=1\tfrac13 + \tfrac29 + \tfrac{4}{27} + \cdots = 1이고, 남은 집합⁠(set)⁠의 길이는 0입니다(정확한 말로는 측도 0⁠(measure zero)⁠). 확률⁠(probability)⁠로 말하면 [0,1][0,1]에서 고르게 고른 점이 이 집합에 들어갈 확률은 0입니다.

그런데 남은 점은 결코 적지 않습니다. 점을 3진법⁠(ternary)⁠으로 쓰면(진법⁠(positional notation)⁠), 가운데 3분의 1을 지우는 것은 "어떤 자리에 1이 있는 수"를 지우는 것입니다. (1/3=0.1000…3=0.0222…31/3 = 0.1000\ldots_3 = 0.0222\ldots_3처럼 두 가지로 적히는 끝점은 1을 쓰지 않는 쪽으로 읽으니 남습니다.) 노란 점 xx를 끌어 보세요. 3진 전개는 이고, 처음 위치 x=1/4=0.0202…3x = 1/4 = 0.0202\ldots_3은 끝없이 살아남는 점입니다. 확률이 0인 집합에도 실제 점이 들어 있으니, 확률 0이 불가능을 뜻하지는 않습니다. 남는 점은 0과 2만으로 된 3진 수열이고, 2를 1로 바꾸면 모든 이진 수열과 하나씩 짝지어집니다. 그러니 칸토어 집합은 셀 수 없는 집합, 실수 전체와 같은 크기입니다.

또 kk단계에서 남은 조각 하나를 3k3^k배로 확대하면 칸토어 집합 전체가 그대로 나옵니다(자기 닮음⁠, self-similarity⁠). 예를 들어 왼쪽 3분의 1 조각을 세 배로 늘리면 전체가 됩니다. 이렇게 작은 부분에도 전체의 복잡한 모양이 되풀이되는 도형을 흔히 프랙털⁠(fractal)⁠이라 부릅니다(합의된 엄밀한 정의가 하나 있지는 않습니다). 복소평면⁠(complex plane)⁠의 망델브로 집합⁠(Mandelbrot set)⁠과, 같은 반복 규칙에서 나오는 줄리아 집합⁠(Julia set)⁠에서도 비슷한 성질이 나타납니다. 다만 망델브로 집합의 작은 복사본들은 전체와 닮았을 뿐 똑같지는 않습니다.

칸토어 집합 위에서만 오르고 나머지에서는 평평한 계단, 칸토어 함수⁠(Cantor function)⁠도 이 집합에서 나옵니다.

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미분에서 회전까지 · 1편 · 미분 순간의 속도 속도계는 '지금 이 순간'의 속도를 보여 준다. 순간에는 시간이 흐르지 않는데, 무엇을 재는 걸까? 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 혼돈 나비의 날갯짓 방정식이 정해져 있으면 미래도 정해질까? 소수점 아래 몇 자리를 버린 계산이 날씨 예보의 한계를 드러냈다. 통신과 잡음 잡음 너머로 대서양 바닥의 케이블은 왜 신호를 뭉갰을까? 잡음이 있어도 오류 없이 보낼 수 있다는 섀넌의 정리와, 그 한계를 50년 동안 쫓은 부호들. 측정의 수학 재는 순간 바뀐다 해안선의 길이는 자에 따라, 평균은 누구에게 묻느냐에 따라, 지표는 목표가 되는 순간 달라진다. 리처드슨의 국경과 프랙털 차원, 스티븐스의 척도, 버스 정류장과 타율의 역설, 스피어먼의 요인, 굿하트의 법칙과 보상 해킹을 한 줄로 꿴다.

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