수학 개념 지도
집합론(Set theory)

가산 집합(Countable set)

자연수⁠(natural number)⁠와 일대일로 짝지을 수 있는(하나씩 번호를 붙여 나열할 수 있는) 무한집합. 유리수⁠(rational number)⁠ 전체도 가산이다.

∣N∣=∣Z∣=∣Q∣=ℵ0|\mathbb{N}| = |\mathbb{Z}| = |\mathbb{Q}| = \aleph_0
먼저 보면 좋은 개념집합의 크기

무한집합에 "첫째, 둘째, 셋째, …"로 빠짐없이 번호를 붙일 수 있으면 가산 집합입니다. 자연수와 크기가 같다는 뜻입니다. (유한집합까지 넣어 '가산'이라 부르는 책도 있습니다. 이 글에서는 무한인 경우만 말합니다.) 분수는 어떨까요? 0과 1 사이에만도 무한히 많고, 어떤 두 분수 사이에도 또 분수가 있으니 자연수보다 훨씬 많아 보입니다.

분수 p/qp/q를 격자(가로 qq, 세로 pp)에 늘어놓고 대각선을 따라 지그재그로 걸으면 모든 칸을 언젠가 지나갑니다. 2/42/4처럼 약분되는 칸은 이미 센 수(1/21/2)이니 건너뜁니다(최대공약수⁠(greatest common divisor)⁠가 1인 칸만 셉니다). 한 칸씩 세어 봅시다.

노란 칸이 번호가 붙은 분수, 흐린 칸은 약분되어 건너뛴 분수입니다.

이 걸음을 끝없이 이어 가면, 목록에는 모든 양의 유리수가 정확히 한 번씩 나옵니다. p/qp/q는 분자와 분모의 합이 p+qp+q인 대각선에 있고, 그 앞의 대각선들은 유한 개의 칸뿐이기 때문입니다. 0과 음수는 0,r1,−r1,r2,−r2,…0, r_1, -r_1, r_2, -r_2, \dots처럼 끼워 넣으면 됩니다. 그러니 ∣Q∣=∣N∣|\mathbb{Q}| = |\mathbb{N}|입니다. 조밀⁠(dense)⁠함과 크기는 다른 이야기입니다. 이런 나열은 이 밖에도 많습니다. 모든 유리수는 유한한 연분수⁠(continued fraction)⁠로 쓸 수 있는데, 연분수 계수들의 유한한 목록도 가산 개뿐입니다.

반대로 실수⁠(real number)⁠는 가산이 아닙니다. 어떤 목록을 만들어도 빠진 실수를 만들 수 있습니다(대각선 논법⁠(diagonal argument)⁠). 유리수는 가산이니, 실수에서 유리수를 빼고 남은 무리수⁠(irrational number)⁠는 셀 수 없이 많습니다. 길이로 재도 마찬가지입니다. 0과 1 사이에서 고르게 고른 수가 유리수일 확률⁠(probability)⁠은 0입니다(이유는 바로 다음 문단에 있습니다). 다만 확률 0이 불가능을 뜻하지는 않습니다. 1/21/2도 뽑힐 수 있는 수입니다.

수직선 위의 가산 집합은 길이의 합이 얼마든지 작은 구간들로 덮을 수 있습니다(측도 0⁠, measure zero⁠). nn번째 점을 길이 ε/2n\varepsilon/2^n인 구간으로 덮으면 길이의 합이 ε\varepsilon이기 때문입니다. ε은 얼마든지 작게 잡을 수 있으니 유리수 전체의 '길이'는 0입니다.

0이 아닌 정수⁠(integer)⁠ 계수 다항식⁠(polynomial)⁠의 근, 곧 대수적 수⁠(algebraic number)⁠도 목록으로 늘어놓을 수 있습니다. 차수와 계수 절댓값⁠(absolute value)⁠들을 모두 더한 값이 nn 이하인 다항식은 유한 개이고, 그 근도 유한 개이기 때문입니다. 그래서 실수에서 대수적 수를 빼고 남은 초월수⁠(transcendental number)⁠는 셀 수 없이 많습니다(대수적 수와 초월수⁠(algebraic and transcendental numbers)⁠).

문법이나 프로그램은 유한한 글자 모음(알파벳)으로 쓴 유한한 글자열이라 가산 개뿐입니다. 그런데 계산 이론⁠(theory of computation)⁠에서는 글자열들의 집합(예: "a가 짝수 개인 모든 글자열")을 언어라 부릅니다. 글자열 전체는 가산 무한⁠(countably infinite)⁠이고 언어는 그 부분집합⁠(subset)⁠이니, 언어 전체는 자연수의 멱집합⁠(power set)⁠처럼 셀 수 없이 많습니다. 문법은 셀 수 있을 만큼뿐이고 언어는 셀 수 없이 많으니, 어떤 문법이나 프로그램으로도 적을 수 없는 언어가 반드시 있습니다(촘스키 위계⁠(Chomsky hierarchy)⁠, 튜링 기계⁠(Turing machine)⁠).

관련된 시대와 장소20세기 초 케임브리지
이 개념이 나오는 큰 생각무한을 다루는 법자기 참조와 대각선

이 개념이 나오는 긴 글

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. 계산언어학 말을 세는 기계 문법은 규칙일까, 확률일까? 파니니의 문법에서 촘스키의 위계, 섀넌의 영어 엔트로피, 오늘날의 언어 모델까지. 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. 게임과 증명 이기는 쪽이 존재한다 "이 판은 백이 이겼다"는 흑이 어떻게 두든 백에게 답이 있다는 말이다. 체스의 체르멜로 정리, ε–δ, 님의 이진법, 폰 노이만의 최소최대와 쌍대성, 논리의 한계를 재는 게임, 끝나지 않는 게임과 선택공리, 대화로 읽는 증명, 겨루며 배우는 신경망까지. 수학의 참을 두 사람의 게임으로 읽는다. 불가능성 정리 불가능의 증명 각의 삼등분, 5차방정식의 근의 공식, 모든 파일을 줄이는 압축, 멈춤을 판정하는 프로그램, 공정한 투표 규칙. 없다는 것은 어떻게 증명할까? 서로 먼 분야의 불가능성 증명들은 거의 모두 불변량, 세기, 대각선이라는 세 가지 무기 가운데 하나를 쓴다.

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