이번 글에서는 칸토어 정리를 소개하고 그것을 증명할 것이다. 칸토어 정리(Cantor's Theorem)는 다음과 같다.
일단 서술의 편의성을 위해 다음과 같은 간단한 개념을 정의하자.
집합 와 그의 부분집합 에 대해 다음과 같은 함수 를 집합 에 대한 Indicator Function이라고 한다.
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위 명제를 증명하기에 앞서 다음 두 명제를 살펴보자.
Lemma 1.
위 명제의 증명은 비교적 자명하다. 일단 기수가 인 집합 를 생각하고 다음과 같이 정의되는 함수 와 함수 를 생각하자.
그러면 둘의 합성 와 가 각각 항등함수 와 가 됨을 쉽게 알 수 있다. 따라서 와 는 전단사함수이며, 그로부터 임을 알 수 있다.
Lemma 2.
이 명제는 집합론에서 가장 유명한 명제 중 하나라고 해도 과언이 아닐 정도로 유명한 명제이며, 이 명제를 칸토어 정리라고 부르기도 한다. 일단, 가 공집합인 경우에는 이므로 위 명제가 성립한다. 이제 가 공집합이 아닌 경우에 대해 생각해보자. 일단, 함수 를 로 정의하자. 그러면 함수 가 단사함수임은 매우 자명하다. 따라서 가 성립한다. 이제 임을 보이면 Lemma 2가 증명된다. 이는 귀류법으로 증명할 것이다. 전단사함수 가 존재한다고 가정하고 집합 를 생각하자. 그러면 이므로 이다. 함수 가 전단사함수이므로 를 만족하는 가 존재한다. 이제 이 가 의 원소인지 판단할 것이다. 일단, 라고 가정하자. 그러면 의 정의에 의해 가 성립한다. 따라서 는 의 원소이면서 동시에 의 원소가 아니어야 한다. 이는 모순이므로 는 의 원소일 수 없다. 만약 가 의 원소가 아니라면, 의 정의에 의해 는 의 원소이다. 그런데, 이므로 이 경우 역시 가 의 원소이면서 동시에 의 원소가 아니어야 하며 결국 모순이다. 따라서 전단사함수 가 존재한다는 처음의 가정이 모순을 이끌어냈으며, 귀류법에 의해 그러한 전단사함수는 존재할 수 없다. 따라서 이다. 즉, 이다.
Theorem 칸토어 정리 ( Cantor's Theorem )
임의의 기수 에 대해 를 만족하는 집합 가 존재한다. 이때, Lemma 1에 의해 임을 알 수 있으며, Lemma 2에 의해 임을 알 수 있다. 따라서 이다.