수학 개념 지도
집합론(Set theory)

집합(Set)

어떤 것들을 모은 한 묶음. 무엇이 들어 있는지(원소⁠(element)⁠인지 아닌지)만이 그 집합을 정한다.

A={ x∈U∣x가 조건을 만족 }A = \{\, x \in U \mid x \text{가 조건을 만족} \,\}

집합은 "이것은 들어 있고 저것은 들어 있지 않다"를 정해 둔 묶음입니다. 순서도, 중복도 없습니다. 오직 원소인가 아닌가만 중요합니다. 1부터 60까지의 수를 전체집합 UU로 두고, 조건 하나로 집합을 골라 봅시다. 지금 고른 집합은 이고, 원소는 입니다.

밝은짙은 점이 집합의 원소입니다. '원 안의 점'을 고르면 원의 중심(노란 점)을 끌고 반지름을 바꿀 수 있습니다.

'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 r=r = .

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 RR이라 해 봅시다. RR이 자기 자신을 원소로 가지면 정의에 따라 갖지 말아야 하고, 갖지 않으면 정의에 따라 가져야 합니다. 어느 쪽도 모순입니다(러셀의 역설⁠, Russell's paradox⁠).

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.

이 개념이 나오는 큰 생각자기 참조와 대각선

이 개념이 나오는 긴 글

확률 도박판에서 온 편지 1654년, 도중에 멈춘 내기의 판돈을 어떻게 나눌까? 두 수학자가 주고받은 편지에서 확률론이 태어났다. 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 그래프 이론 일곱 다리의 도시 쾨니히스베르크의 일곱 다리를 한 번씩만 건너 산책할 수 있을까? 오일러는 지도를 지우고 점과 선만 남겼다. 거리와 유사도 까마귀와 택시 까마귀는 곧장 날고 택시는 블록을 돌아간다. '얼마나 먼가'에는 답이 하나가 아니고, 어떤 거리를 고르느냐가 통계와 기계 학습의 답을 바꾼다. 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. 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. 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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