수학 개념 지도
집합론(Set theory)

멱집합(Power set)

한 집합⁠(set)⁠의 모든 부분집합⁠(subset)⁠을 모은 집합. 원소⁠(element)⁠가 n개면 부분집합은 2ⁿ개이고, 각 부분집합은 n자리 이진수와 짝지어진다.

∣P(A)∣=2∣A∣|\mathcal{P}(A)| = 2^{|A|}
먼저 보면 좋은 개념집합

집합 AA의 부분집합을 하나 고르는 일은 각 원소에 대해 "넣는다/뺀다"를 정하는 일입니다. 원소가 n=n = 개면 선택지가 2×2×⋯=2n2 \times 2 \times \cdots = 2^n가지입니다. 원소를 하나 더하면 부분집합이 새 원소를 넣은 것과 뺀 것으로 정확히 두 배가 되니, 수학적 귀납법⁠(mathematical induction)⁠으로도 바로 증명됩니다. "넣는다"를 1, "뺀다"를 0으로 적으면 부분집합 하나가 nn자리 이진수 하나가 됩니다(진법⁠, positional notation⁠). 같은 말로, 부분집합은 원소마다 참이나 거짓을 정하는 함수⁠(function)⁠ A→{0,1}A \to \{0, 1\}이고, 함수 타입⁠(type)⁠의 값을 ∣B∣∣A∣|B|^{|A|}로 세는 대수적 자료형⁠(algebraic data type)⁠의 셈에서 ∣B∣=2|B| = 2인 경우입니다.

선은 원소 하나를 더하는 관계입니다. 아래에서 위로 갈수록 원소가 많아집니다. 원소가 4개면 이 그림은 4차원 정육면체의 그림자입니다.

번호 를 이진수로 쓰면 이고, 이 부분집합은 입니다. 같은 층(크기가 같은 부분집합)에 있는 개수는 , 곧 파스칼의 삼각형⁠(Pascal's triangle)⁠의 한 줄입니다. 크기 kk인 부분집합의 수가 이항계수⁠(binomial coefficient)⁠ (nk)\binom{n}{k}이고, 동전 nn개를 던져 앞면이 kk개 나오는 경우의 수⁠(number of cases)⁠와 같습니다(이항분포⁠(binomial distribution)⁠).

부분집합을 0과 1의 줄로 적으면 집합의 연산⁠(set operations)⁠은 비트 연산⁠(bitwise operation)⁠이 됩니다. 합집합⁠(union)⁠은 OR, 교집합⁠(intersection)⁠은 AND, 여집합⁠(complement)⁠은 NOT이고, 이 계산 규칙이 불 대수⁠(Boolean algebra)⁠입니다.

유한집합에서는 2n>n2^n > n이니 멱집합이 더 큰 것이 당연합니다. 그런데 무한집합에서도 멱집합은 원래 집합보다 엄격히 큽니다(칸토어의 정리). 이유는 한 줄입니다. AA의 원소마다 부분집합을 하나씩 짝지은 어떤 대응 ff가 있어도, "자기가 짝지어진 부분집합에 들어 있지 않은 원소들의 모임" {x∣x∉f(x)}\{x \mid x \notin f(x)\}은 어느 원소의 짝도 될 수 없습니다. 자연수⁠(natural number)⁠의 경우 이것이 곧 무한 이진 수열에 대한 대각선 논법⁠(diagonal argument)⁠입니다. 그래서 무한 위에 더 큰 무한이 끝없이 쌓입니다.

멱집합을 취할 때마다 크기는 엄격히 커집니다. 그런데 그 사이에 다른 크기가 끼어 있을 수 있는지는 정해지지 않습니다. 자연수 집합과 그 멱집합 사이의 경우가 연속체 가설⁠(continuum hypothesis)⁠이고, 표준 공리⁠(axiom)⁠ 체계 ZFC로는 증명도 반증도 할 수 없습니다.

부분집합이 '각 원소가 들어 있나'에 참·거짓으로 답하는 함수와 하나씩 짝지어진다는 것, 곧 두 원소 집합 {참, 거짓}이 부분집합을 분류한다는 성질이 있습니다. 이 성질을 일반화해 {참, 거짓} 자리에 '진릿값⁠(truth value)⁠들의 대상'을 두고 공리로 삼은 범주⁠(category)⁠가 토포스⁠(topos)⁠입니다. 또 칸토어의 정리 때문에 어떤 집합도 자기 멱집합과 일대일로 짝지어질 수 없으므로, 멱집합을 취하는 함자⁠(functor)⁠에는 재귀⁠(recursion)⁠ 타입을 짓는 시작 대수가 없습니다.

관련된 시대와 장소20세기 초 케임브리지

이 개념이 나오는 긴 글

집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 그래프 이론 일곱 다리의 도시 쾨니히스베르크의 일곱 다리를 한 번씩만 건너 산책할 수 있을까? 오일러는 지도를 지우고 점과 선만 남겼다. 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. 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. 타입 이론과 범주론 증명은 프로그램이다 러셀의 역설을 막으려던 '타입'이 프로그램의 실수를 막는 장치가 되었다. 명제를 타입으로, 증명을 프로그램으로 읽으면 둘이 규칙 하나하나까지 맞아떨어진다. 오늘날 수학자들은 그 사실로 컴퓨터에게 증명을 검사받는다. 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. 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. 범주론 화살표만으로 본 수학 최대공약수와 교집합과 '그리고'는 같은 것이고, 화살표를 뒤집으면 최소공배수와 합집합과 '또는'이 된다. 무엇으로 만들었는지 묻지 않고 어떻게 이어지는지만 보는 언어로, '자연스럽다'는 말의 뜻, 관계만으로 대상을 알아보는 요네다의 생각, 함자로 본 연쇄법칙, 어디에나 있는 수반까지 사이트의 여러 분야를 가로지른다.

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