집합의 크기(Cardinality)
두 집합(set) 사이에 짝짓기(전단사, bijective)가 있으면 크기가 같다. 무한집합에서는 부분이 전체와 같은 크기일 수 있다.
유한집합의 크기는 세면 됩니다. 그런데 "센다"는 건 사실 1, 2, 3, …과 짝짓기를 하는 일입니다. 무한집합에는 끝까지 셀 수 없으니 짝짓기만 남습니다. 짝이 딱 맞으면 크기가 같다고 정의합니다.
방이 1, 2, 3, …으로 끝없이 있는 호텔이 꽉 찼습니다(힐베르트의 호텔).
새 손님 한 명이 오면 모두 한 칸씩(
자연수와 짝지을 수 있는 집합을 가산 집합(countable set)이라 합니다. 분수 전체도 가산입니다. 그렇다면 모든 무한은 같은 크기일까요? 아닙니다. 실수(real number) 전체는 어떻게 짝지어도 빠지는 수가 생기고(대각선 논법(diagonal argument)), 어떤 집합이든 그 멱집합(power set)은 원래 집합보다 엄격히 큽니다. 무한에도 크기의 층이 끝없이 있습니다.
전단사로 짝지을 수 있다는 관계는 반사·대칭·추이를 모두 만족합니다(동치관계, equivalence relation). 전단사를 뒤집으면 역방향 전단사가 되고, 두 전단사를 이으면 다시 전단사이기 때문입니다. 집합의 크기(기수, cardinal number)란 이 관계로 묶이는 무리마다 붙인 이름입니다. (엄밀히는 모든 집합을 모은 것은 집합이 아니어서, 표준 집합론(set theory)에서는 무리마다 대표 집합을 하나 정해 그것을 기수로 씁니다.)
자연수의 크기와 실수의 크기 사이에 다른 크기가 있는지는 연속체 가설(continuum hypothesis)이라는 질문으로 남았습니다. 지금 표준으로 쓰는 집합론의 공리(axiom) 체계 ZFC로는 이 질문에 답할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 1940년 괴델이 반증할 수 없음을, 1963년 폴 코언이 증명할 수 없음을 보였습니다(둘 다 ZFC 자체에 모순이 없다는 가정 아래서입니다). 답을 모르는 것이 아니라, 그 공리들만으로는 정해지지 않는 것입니다.
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- 집합
… 바닥 공사입니다. 두 집합을 합치고 겹치는 연산은 집합의 연산, 원소를 짝지어 크기를 비교하는 일은집합의 크기입니다. 확률에서는 일어날 수 있는 결과 전체가 집합(표본공간)이고 사건은 그 …
- 포함배제 원리
합집합의 크기를 셀 때 각집합의 크기를 그냥 더하면 겹친 부분을 여러 번 세게 됩니다. 두 번 센 것은 한 번 빼고, 그러다 너무 많이 뺀 세 …
- 단사·전사·전단사
… 있을 때 "크기가 같다"고 정의하고, 끝까지 셀 수 없는 무한집합의 크기는 바로 이 기준으로 비교합니다(집합의 크기). 원소를 보지 않고 '되돌리는 함수가 있다'는 이 성질만 떼어 낸 것이 범주론의 동형 사상이고, …
- 가산 집합
무한집합에 "첫째, 둘째, 셋째, …"로 빠짐없이 번호를 붙일 수 있으면 가산 집합입니다. 자연수와크기가 같다는 뜻입니다. (유한집합까지 넣어 '가산'이라 부르는 책도 있습니다. 이 글에서는 무한인 경우만 …
- 칸토어의 대각선 논법
… 목록도 만들 수 있습니다. 그런 목록은 없으므로 실수의 목록도 없습니다. 0과 1 사이의 실수는 자연수와크기가 다른더 큰 무한입니다. 이진 수열 하나는 "각 자연수를 넣을지 말지"를 적은 표이기도 합니다. 첫째 자리는 …
- 칸토어 집합
… 바꾸면 모든 이진 수열과 하나씩 짝지어집니다. 그러니 칸토어 집합은 셀 수 없는 집합, 실수 전체와같은 크기입니다. 또 k 단계에서 남은 조각 하나를 3^k 배로 확대하면 칸토어 집합 전체가 그대로 나옵니다(자기 …
- 이항계수
… a^p 를 p로 나눈 나머지가 a와 같다는 페르마 소정리가 증명됩니다. 겹치는 집합들의 합집합 크기(집합의 크기)를 세는 포함배제 원리에도 이항계수가 숨어 있습니다. 원소 하나가 집합 m개에 속해 있으면 그 원소는 …
- 연속체 가설
… 크기는 어떻게 견줄까요? 두 집합의 원소를 남김없이 하나씩 짝지을 수 있으면(일대일 대응) 두 집합의크기가 같다고 합니다. 자연수 1, 2, 3, …과 짝수 2, 4, 6, …은 n과 2n을 짝지으면 양쪽 모두 …
- 대수적 수와 초월수
… 2^{\aleph_0} 사이에 다른 크기가 있는지는 연속체 가설의 질문이고, 크기를 비교하는 규칙은집합의 크기에 있습니다.
- 칸토어 함수
… 길이 0인 집합이 길이 1인 구간 전체로 펼쳐집니다. 칸토어 집합이 [0, 1] 보다 작지 않다는 것(집합의 크기)도 이 전사가 보여 줍니다. 이어지는 곳. 3진 자리마다 동전을 던져 0이나 2를 고르면 칸토어 집합 …
- 측도 0
… 그 합은 , 곧 (2/3)^d \to 0 입니다. 그런데 칸토어 집합은 셀 수 없습니다. 측도는크기와 다른 잣대입니다. 이 집합 위에서만 오르는 칸토어 함수는 측도 0인 집합이 얼마나 이상한 일을 할 …
- 쌍곡기하
… 극한 평행선이라 부릅니다. 그 사이의 방향은 한 구간 전체이니, 만나지 않는 직선은 실수만큼 많습니다(집합의 크기). P에서 ℓ까지의 거리가 d = 일 때, 극한 평행선이 P에서 ℓ로 내린 수선과 이루는 각을 평행각 …
- 푸앵카레 원판
… 갈 때 새 거리는 0 이상의 모든 값을 빠짐없이 한 번씩 지나갑니다. 부분이 전체와 같은 크기일 수 있다는집합의 크기의 이야기와 닮았습니다. 이어지는 곳. 같은 쌍곡평면을 다른 지도로 그릴 수도 있습니다. 위쪽 반평면 …
- 자카드 지수
… 것은 전혀 다른 일입니다. 합집합의 크기는 포함배제 원리로 |A|+|B|-|A\cap B| 이고,집합의 크기만 알면 계산됩니다. 둘 다 담지 않은 물건(회색)은 셈에 들어가지 않는다는 점도 중요합니다. 수만 가지 …
- 러셀의 역설
… \{x \in A : x \notin f(x)\} 으로 보였습니다. 그래서 멱집합은 언제나 원래 집합보다크기가 큽니다. 러셀 자신의 회고에 따르면, 그는 가장 큰 무한이 없다는 칸토어의 이 증명을 '모든 것의 …
- 수 체계: 자연수에서 실수까지
… 수렴과 발산⟧에서, 실수 위에서 길이를 재는 일은 측도 0과 르베그 적분에서, 무한의 크기는집합의 크기와 연속체 가설에서 이어집니다. 복소수까지 넓히면 상수가 아닌 모든 다항식이 1차식의 곱으로 …
- 수학 기초론 논쟁
… 남는 것은 자연수와 집합뿐이었고, 칸토어의 집합론은 무한의 크기까지 다룰 수 있게 해 주었습니다(집합의 크기). 그런데 바로 그 집합론의 밑바닥에서 모순이 나왔습니다. 그 뒤 1931년 무렵까지, 수학의 확실성을 …
- 기술 집합론
… '이런 점들의 모임'이라고 적어 낼 수 있는 집합은 어떤 것들이고, 그런 집합에서는 길이(측도)나크기에 관한 물음에 답할 수 있는가? 이 물음을 다루는 분야가 기술 집합론입니다. '기술(記述)'은 적어서 …
- 대수적 자료형
… 꼬리표 붙은 값이라는 것은 커리–하워드 대응의 표에 있습니다. 개수의 법칙은 무한 집합에서도 통하는집합의 크기의 셈과 같은 모양이며, 2^{|A|} 는 칸토어의 대각선 논법이 멱집합이 늘 더 크다고 말할 때의 …
- 데카르트 닫힌 범주
… 보조기⟧입니다. 함수 집합의 크기 |B^A| = |B|^{|A|} 에서 A를 무한으로 보내면 멱집합과무한집합의 크기이야기가 됩니다. 곱을 복사와 버리기가 없는 텐서곱으로 바꿔 커링하면 모노이드 범주와 선형 논리가 …