수학 개념 지도
집합론(Set theory)

집합의 크기(Cardinality)

두 집합⁠(set)⁠ 사이에 짝짓기(전단사⁠, bijective⁠)가 있으면 크기가 같다. 무한집합에서는 부분이 전체와 같은 크기일 수 있다.

∣A∣=∣B∣  ⟺  ∃ f:A→B 전단사|A| = |B| \iff \exists\, f: A \to B \text{ 전단사}
먼저 보면 좋은 개념단사·전사·전단사

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). 이 왔습니다. 손님 옮기기

위 줄이 지금 방, 아래 줄이 옮겨 간 방입니다. 손님 번호는 원래 방 번호입니다.

새 손님 한 명이 오면 모두 한 칸씩(nn번 방에서 n+1n+1번 방으로) 옮기면 1번 방이 빕니다. 새 손님이 1, 2, 3, …번으로 무한히 많이 와도, 모두 자기 방 번호의 두 배로 옮기면 홀수 방이 모두 빕니다. 이 옮기기 n↦2nn \mapsto 2n이 곧 자연수⁠(natural number)⁠ 전체와 짝수 전체 사이의 전단사이니, 두 집합은 크기가 같습니다. 유한집합에서는 진부분집합(원래 집합과 같지 않은 부분집합⁠(subset)⁠)이 항상 원소⁠(element)⁠가 더 적지만, 무한집합에서는 부분이 전체와 같은 크기일 수 있습니다. 정수⁠(integer)⁠ 전체 ℤ도 0, 1, −1, 2, −2, …로 번갈아 부르면 자연수와 짝이 맞습니다.

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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집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 계산 이론 기계가 풀 수 없는 문제 모든 수학 문제를 기계적으로 풀 수 있을까? 러셀의 역설에서 괴델과 튜링까지, 그 질문에 대한 답은 '아니오'였고, 그 증명이 컴퓨터를 낳았다. 매칭과 흐름 짝을 찾는 알고리즘 의대 졸업생과 병원, 신장 기증자와 환자, 철도와 화물. 누구를 누구와 이을지 정하는 수학은 냉전의 철도 지도에서 노벨 경제학상까지 이어진다. 램지 이론 완전한 무질서는 없다 여섯 명이 모이면 서로 아는 세 사람이나 서로 모르는 세 사람이 반드시 있다. 충분히 크면 어디에나 질서가 숨어 있다는 이론과, 그것을 동전 던지기로 증명한 에르되시.

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