집합(Set)
어떤 것들을 모은 한 묶음. 무엇이 들어 있는지(원소(element)인지 아닌지)만이 그 집합을 정한다.
집합은 "이것은 들어 있고 저것은 들어 있지 않다"를 정해 둔 묶음입니다. 순서도, 중복도 없습니다. 오직 원소인가 아닌가만 중요합니다. 1부터 60까지의 수를 전체집합
'원 안의 점'처럼 수의 성질이 아니라 위치로 정해도 집합입니다. 조건은 사실 함수(function)입니다. 각 원소에 "예/아니오"를 돌려주는 함수, 곧 소속 함수가 집합과 같은 정보를 담습니다. 원 반지름
집합은 수학 전체의 바닥 공사입니다. 두 집합을 합치고 겹치는 연산은 집합의 연산(set operations), 원소를 짝지어 크기를 비교하는 일은 집합의 크기(cardinality)입니다. 확률(probability)에서는 일어날 수 있는 결과 전체가 집합(표본공간, sample space)이고 사건(event)은 그 부분집합(subset)입니다(확률). 소수(prime number)를 모은 소수 집합, 나머지가 같은 수끼리 묶는 동치류(equivalence class)도 모두 집합입니다.
아무 조건이나 모아 집합을 만들어도 된다고 하면 곤란해집니다. '자기 자신을 원소로 갖지 않는 집합들의 집합'을
그래서 오늘날 집합론(set theory)은 집합을 만들어도 되는 방법을 몇 개의 공리(axiom), 곧 증명 없이 받아들이는 출발점 규칙으로 제한합니다. 예를 들어 "이미 있는 집합 안에서 조건에 맞는 원소만 골라낸 것은 집합이다"는 허용하지만, "조건에 맞는 모든 것의 모임"은 허용하지 않습니다. 1908년 체르멜로가 처음 세우고 독일 출신 이스라엘 수학자 아브라함 프렝켈 등이 다듬은 체계에 선택공리(axiom of choice)를 더한 것이 표준 체계 ZFC입니다.
러셀 자신은 다른 길을 냈습니다. 모든 대상에 층(타입, type)을 매겨 집합이 자기보다 낮은 층의 것만 원소로 가질 수 있게 하면 'R이 R의 원소인가'라는 물음 자체가 적법하지 않게 되는데, 이것이 타입 이론(type theory)의 시작입니다. 이런 해결책이 자리 잡기까지의 논쟁은 수학 기초론 논쟁(debate on the foundations of mathematics)에서 다룹니다.
원소 대신 함수와 합성으로 집합의 세계를 볼 수도 있습니다. 부분집합은 '이 원소가 들어 있나'에 참·거짓으로 답하는 함수와 하나씩 짝지어집니다. 이 성질을 일반화한 범주(category)가 토포스(topos)입니다. 토포스 안의 논리는 일반적으로 배중률(law of excluded middle)을 가정하지 않는 직관주의 논리(intuitionistic logic)이고, 배중률은 특별한 토포스(불 토포스)에서만 성립합니다.
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- 함수
… 복소수로 보내는 함수는 그래프를 그릴 공간이 모자라 색으로 칠해서 봅니다. 함수를 정확히 말하는 언어는집합입니다. 입력이 올 수 있는 집합과 출력이 놓일 집합을 정해 두고, 입력 하나마다 출력 하나를 짝지어 주는 …
- 확률
확률의 무대는 표본공간 \Omega , 곧 일어날 수 있는 모든 결과의집합입니다. 사건은 그 부분집합이고, 확률은 사건이 표본공간에서 차지하는 몫 입니다. 주사위를 한 번 …
- 집합의 연산
집합두 개가 있으면 논리 연산으로 새 집합을 만들 수 있습니다. "A 또는 B"는 합집합, "A 그리고 …
- 동치관계와 분할
… ), 같음이 이어집니다(추이성, a \sim b 이고 b \sim c 이면 a \sim c ). 동치관계는집합을 서로 겹치지 않는 덩어리들로 나눕니다 . 원소 a 와 같은 것들을 모은 덩어리(동치류)를 [a] 라 …
- 망델브로 집합
… 무한대로 달아납니다( |c| > 2 이면 궤도는 처음부터 달아납니다). 달아나지 않는 c 를 모두 모은집합이 망델브로 집합입니다. 1980년 무렵 컴퓨터 그림으로 이 집합을 널리 알린 폴란드 태생의 프랑스·미국 …
- 소인수분해
… = 2·3·5처럼 제곱 인수가 없는 수)라면 약수 하나는 "어떤 소수를 고를까"라는 선택, 곧 소인수집합의 부분집합 하나입니다. 그래서 약수의 개수는 멱집합의 크기 2^k 이 됩니다. 30의 약수는 2^3 …
- 울람 나선
… n 근처에서 소수가 차지하는 비율은 소수 정리가 말하는 약 1/\ln n 입니다. 소수라는집합을 그림으로 보는 가장 단순하면서도, 위의 추측 때문에 아직 설명이 다 끝나지 않은 방법입니다. 나선에서 …
- 이항계수
… 그래서 길의 수는 n개 중 k개를 고르는 방법의 수, 곧 이항계수 \binom nk 입니다. 고른 자리들의집합만 중요하고 고른 순서는 상관없으니, n개를 한 줄로 세우는 n! 가지 순열을 고른 쪽 안의 순서 k! …
- 연속체 가설
… 2^{\aleph_0} 입니다. 그렇다면 둘 사이에 다른 크기가 있을까요? 자연수보다 크고 실수보다 작은집합이 있을까요? 칸토어는 1878년 무렵 없다고 추측했습니다. 이것이 연속체 가설 입니다. 실수 직선을 …
- 측도 0
점 하나의 길이는 0입니다. 그렇다면 점이 무한히 많으면 어떨까요?집합A 가 측도 0 이라는 것은, 아무리 작은 양수 \varepsilon (엡실론)을 주어도 길이의 합이 …
- 심슨의 역설
… 화살표가 길고 B는 가파른 작은 결석 화살표가 길어서 합 화살표는 A 쪽이 더 완만해질 수 있습니다. 전체집합을 어떻게 분할하느냐에 따라 결론이 달라지는 셈입니다. 흔히 인용되는 또 하나의 예는 1973년 미국 …
- 무작위 대조 시험
… 결핵 시험이 흔히 최초의 현대적 무작위 대조 시험으로 꼽힙니다. 이어지는 곳. 무작위 배정은 환자집합을 동전으로 둘로 나누는 일이라, 사람마다 동전을 던지면 치료군의 크기는 이항분포를 따릅니다. …
- 그래프
그래프는 꼭짓점들의집합V 와, 꼭짓점 두 개를 잇는 변들의 집합 E 로 이루어집니다. 점을 어디에 찍든, 선을 곧게 긋든 휘게 …
- 최단 경로
… 지금 가장 작은 잠정 거리는 다른 길로 돌아가도 더 줄어들 수 없으니, 확정해도 안전합니다. 확정된 점들의집합이 출발점에서 물결처럼 퍼져 나갑니다. 지금 가장 좋아 보이는 점을 골라 되돌아보지 않으니, ⟦욕심쟁이 …
- 쇠렌센–다이스 계수
… 48×32 픽셀짜리 영상입니다. 의사가 표시한 정답 영역 A와 모델이 예측한 영역 B(분홍 원)를 픽셀의집합으로 봅니다. 원의 중심을 끌고, 반지름 r = 을 바꿔 보세요. 표적은 입니다. 둘 다 표시한 …
- 거리 함수
… 두 도시 사이의 측지선 길이도 모두 '거리'라고 부릅니다. 수학은 이것들의 공통점만 뽑아 정의합니다.집합X 의 두 원소에 수 하나를 주는 함수 d 가 다음 세 규칙을 지키면 거리 함수이고, (X, d) 를 …
- 불 대수
… 읽으면 \land 는 교집합, \lor 는 합집합, \lnot 은 여집합이 됩니다(집합의 연산). 한집합의 모든 부분집합, 곧 멱집합이 불 대수를 이루는 까닭이고, 확률에서 사건을 …
- 러셀의 역설
대부분의집합은 자기 자신을 원소로 갖지 않습니다. {1, 2}의 원소는 1과 2뿐이고, 자연수 전체의 집합 ℕ은 …
- 유한 오토마톤
… 방법으로 어떤 수 k의 배수든 상태 k개로 가려낼 수 있습니다. 이런 기계가 받아들이는 문자열을 모두 모은집합을 정규 언어라고 합니다. 1951년 미국 논리학자 스티븐 클리니는 유한 오토마톤이 인식하는 언어가 …
- 촘스키 위계
언어를 수학의 대상으로 다루는 형식 언어 이론에서 언어 란 어떤 글자들(알파벳 Σ)로 만든 문자열들의집합입니다. '짝수 개의 a', 'a 몇 개 다음에 같은 수의 b', '멈추는 프로그램의 소스 코드' 모두 …
- 문맥 자유 문법
… 출발해 단말 기호만 남을 때까지 규칙을 적용하는 과정을 유도라 하고, 이 문법이 유도할 수 있는 문자열들의집합이 문법의 언어입니다. 촘스키 위계의 둘째 층(유형 2)입니다. 보기: 파란 글자는 비단말 기호, 노란 …
- 정규 표현식
… 따 클리니 스타라 부릅니다)는 r에 맞는 조각을 0번 이상 잇습니다. 식 하나가 뜻하는 것은 문자열들의집합, 곧 언어이고, 선택은 합집합입니다. 예를 들어 (a|b)*abb는 'a와 b로 된 아무 문자열 뒤에 …
- 비교 언어학
… C. 더글러스 존슨 1972, 로널드 캐플런과 마틴 케이 1994). 대응을 찾는 일은 한 언어의 소리집합에서 다른 언어의 소리 집합으로 가는 짝짓기를 찾는 일입니다. 또 앞에서 본 생일 문제처럼 우연한 …
- 수학적 귀납법
… 아무 보장이 없습니다. 귀납법이 옳은 까닭은 자연수의 성질에 있습니다. 거짓인 n이 있다면 그런 n들의집합에 가장 작은 원소 m이 있을 것입니다. m은 1이 아닙니다(기초 단계). 그러면 m−1도 자연수이고 …
- 순열
… . 늘어놓기 하나는 n개의 자리에서 n개의 물건으로 가는 일대일대응 하나이므로, n!은 원소가 n개인집합에서 자기 자신으로 가는 전단사 함수의 개수이기도 합니다. 아무것도 늘어놓지 않는 방법도 한 가지로 쳐서 …
- 분할수
… 가지입니다. 원소 n개의 순열을 순환들로 쪼개면 순환의 길이들이 n의 분할을 이룹니다. 수 대신집합을 겹치지 않는 조각들로 나누는 일은 동치관계를 정하는 일과 같고(같은 조각에 든 것끼리를 '같다'고 …
- 반 데르 바르던 정리
… 더 강한 것을 증명했습니다. 색칠이 아니라 '밀도'만 있으면 충분합니다. 1부터 N까지 가운데 그집합에 드는 수의 비율이 N이 아무리 커져도 0으로 줄어들지 않으면(정확히는 위 밀도가 양수이면), 그 집합은 …
- 해시 테이블
… 함수에 무작위 값을 섞습니다(무작위 알고리즘). 이어지는 곳. 해시 테이블은 프로그래밍 언어가 제공하는집합과 사전 자료 구조의 바탕입니다. 해시 함수만 따로 쓰기도 합니다. 파일을 짧은 수 하나로 요약해 …
- 최대 흐름 최소 절단 정리
… 왜 최소 절단이 나타날까요? 더는 증가 경로가 없을 때, 잔여 네트워크에서 s에서 갈 수 있는 점들의집합을 S라 합시다. S에서 T로 가는 관은 모두 꽉 차 있고(아니면 더 갈 수 있으니까요), T에서 S로 …
- 수 체계: 자연수에서 실수까지
… 자연수를 '다음 수'와 수학적 귀납법에 관한 몇 개의 공리로 정했고, 20세기에는 자연수마저집합으로 지었습니다(0 = ∅, 1 = {0}, 2 = {0, 1}, …). 독일 수학자 ⟦레오폴트 …
- 수학 기초론 논쟁
… 실수를 유리수로, 유리수를 정수로 짓는 방법을 보였습니다(수 체계). 그러면 남는 것은 자연수와집합뿐이었고, 칸토어의 집합론은 무한의 크기까지 다룰 수 있게 해 주었습니다(집합의 크기). 그런데 바로 …
- 기술 집합론
칸토어의집합론에 따르면 실수의 부분집합은 멱집합의 크기만큼, 곧 실수보다도 많습니다. 그런데 유한한 글자로 적을 …
- 타입 이론
… A의 원소다'라는 판단 a : A 를 정해진 규칙으로만 이끌어 내는 체계들을 연구합니다. a : A 는집합론의 a \in A 와 닮았지만 성격이 다릅니다. 집합론에서 3 \in \mathbb N 은 이미 있는 …
- 호모토피 타입 이론
… 그러면 같음의 증명도 모두 같아져(UIP) 일가성과 함께 둘 수 없습니다. 대부분의 수학자는 여전히집합론을 기초로 여깁니다. 공간을 타입으로 짓기. HoTT에서는 점뿐 아니라 경로까지 생성자로 주는 타입(고차 …
- 증명 보조기
… 처치의 단순 타입 이론에서 나온 고차 논리를, 폴란드의 Mizar(1973년 시작)는집합론을 씁니다. 어느 쪽이든 원리는 같습니다. 증명은 공리에서 출발해 추론 규칙을 한 번씩 적용해 가는 …
- 범주론
… 위의 가환 그림이 뜻을 가지려면 이 두 가지면 충분합니다. 함수의 합성은 이 두 법칙을 늘 만족하므로집합과 함수는 범주를 이룹니다. 이 범주를 보통 Set 이라 부릅니다. 새로운 점은 화살표가 꼭 함수일 필요가 …
- 보편 성질: 곱, 쌍대곱, 극한
… 순서 일반에서 곱은 '가장 큰 아래 경계'(하한, meet)이고, 부분집합의 포함 순서에서는 교집합입니다.집합의 범주에서 곱은 순서쌍의 집합 A × B이고, u는 x\mapsto(f(x), g(x)) 입니다. u의 …
- 요네다 보조정리
… g 로 보냅니다. 화살표의 방향이 뒤집히는 함자입니다. 이것은 'X의 눈으로 본 A'들의 모음입니다.집합의 범주에서 원소 하나짜리 집합 1의 눈으로 보면 Hom(1, A)는 A의 원소들이고, 원소 두 개짜리 …
- 토포스: 집합을 닮은 우주
… ¬¬로 거른 층의 토포스로 읽을 수 있습니다. 이어지는 곳. 부분집합과 참·거짓 함수의 대응은 멱집합과집합에서 출발하고, 진릿값이 늘어난 논리는 직관주의 논리의 헤이팅 대수이며, 진릿값이 둘인 특별한 경우가 …