집합론, 그 스물일곱 번째 이야기 | 칸토어 정리 ( Cantor's Theorem )  By 초코맛 도비

수학/집합론 | Set Theory|2020. 12. 25. 15:01

이번 글에서는 칸토어 정리를 소개하고 그것을 증명할 것이다. 칸토어 정리(Cantor's Theorem)는 다음과 같다.

 

임의의 기수 κ에 대해 언제나 2κ>κ가 성립한다.

 

일단 서술의 편의성을 위해 다음과 같은 간단한 개념을 정의하자.

 

집합 X와 그의 부분집합 A에 대해 다음과 같은 함수 1A:X{0,1}를 집합 A에 대한 Indicator Function이라고 한다.

1A(x)={0if xA1if xA

 

위 명제를 증명하기에 앞서 다음 두 명제를 살펴보자.

 

Lemma 1. |P(X)|=2|X|

 

위 명제의 증명은 비교적 자명하다. 일단 기수가 2|X|인 집합 {0,1}X를 생각하고 다음과 같이 정의되는 함수 f:P(X){0,1}X와 함수 g:{0,1}XP(X)를 생각하자.

f:A1Ag:h{xX|h(x)=1}

그러면 둘의 합성 fggf가 각각 항등함수 I{0,1}X:{0,1}X{0,1}XIP(X):P(X)P(X)가 됨을 쉽게 알 수 있다. 따라서 fg는 전단사함수이며, 그로부터 |P(X)|=2|X|임을 알 수 있다.

 

Lemma 2. |P(X)|>|X|

 

이 명제는 집합론에서 가장 유명한 명제 중 하나라고 해도 과언이 아닐 정도로 유명한 명제이며, 이 명제를 칸토어 정리라고 부르기도 한다. 일단, X가 공집합인 경우에는 |P(X)|=|{}|=1>0=|X|이므로 위 명제가 성립한다. 이제 X가 공집합이 아닌 경우에 대해 생각해보자. 일단, 함수 a:XP(X)a:x{x}로 정의하자. 그러면 함수 a가 단사함수임은 매우 자명하다. 따라서 |X||P(X)|가 성립한다. 이제 |X||P(X)|임을 보이면 Lemma 2가 증명된다. 이는 귀류법으로 증명할 것이다. 전단사함수 f:XP(X)가 존재한다고 가정하고 집합 S={sX|sf(s)}를 생각하자. 그러면 SX이므로 SP(X)이다. 함수 f가 전단사함수이므로 f(e)=S를 만족하는 eX가 존재한다. 이제 이 eS의 원소인지 판단할 것이다. 일단, eS라고 가정하자. 그러면 S의 정의에 의해 ef(e)=S가 성립한다. 따라서 eS의 원소이면서 동시에 S의 원소가 아니어야 한다. 이는 모순이므로 eS의 원소일 수 없다. 만약 eS의 원소가 아니라면, S의 정의에 의해 ef(e)의 원소이다. 그런데, f(e)=S이므로 이 경우 역시 eS의 원소이면서 동시에 S의 원소가 아니어야 하며 결국 모순이다. 따라서 전단사함수 f:XP(X)가 존재한다는 처음의 가정이 모순을 이끌어냈으며, 귀류법에 의해 그러한 전단사함수는 존재할 수 없다. 따라서 |X||P(X)|이다. 즉, |P(X)|>|X|이다.

 

Theorem 칸토어 정리 ( Cantor's Theorem )

 

임의의 기수 κ에 대해 |K|=κ를 만족하는 집합 K가 존재한다. 이때, Lemma 1에 의해 |P(K)|=2κ임을 알 수 있으며, Lemma 2에 의해 |P(K)|>κ임을 알 수 있다. 따라서 2κ>κ이다.

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