요약
이 수업은 과정이 수와 함수에 대해 말할 때 쓰는 언어와, 양화사의 논리 가운데 꼭 필요한 부분을 정한다. 포함과 집합의 연산을 정의하고, 양방향 포함으로 집합의 상등을 증명하며, 드모르간 법칙을 증명하고, 순서쌍과 그 특성 성질을 구성하며, 곱집합과 관계 및 그 성질을 정의한다. 동치 관계의 동치류가 분할을 이루고 모든 분할이 동치 관계를 정한다는 것을 증명하여 정수의 구성을 준비한다. 순서 관계와 그 극단적인 원소 및 한계를 다루고, 함수를 관계로 다루며, 합성이 결합적이고 단사성과 전사성을 보존한다는 것, 그리고 함수가 전단사일 필요충분조건은 역함수를 갖는 것이며 그 역함수는 유일하다는 것을 증명한다. 문제에서는 동치 관계를 세고, 자연수와 짝수를 짝짓고, 날짜의 요일을 구하며, 임의의 함수를 전사, 전단사 함수, 단사의 합성으로 분해한다.
학습 목표
- 양화사가 있는 진술을 기호로 쓰고, 그 부정을 올바르게 쓰며, 논리적 형식에 따라 증명 전략을 고른다.
- 집합 사이의 상등과 포함을 양방향 포함으로 증명하고, 유한 집합의 합집합, 교집합, 차집합, 곱집합, 멱집합을 계산한다.
- 관계가 반사적, 대칭적, 반대칭적, 추이적인지 판정하고, 동치 관계와 순서 관계를 알아본다.
- 동치 관계의 동치류와 몫집합을 구성하고, 동치 관계에서 그것이 정하는 분할로, 또 그 반대로 옮겨 간다.
- 순서 집합의 부분집합의 최소원, 최대원, 극소원, 극대원, 그리고 상계와 하계를 구한다.
- 상, 원상, 합성 함수, 역함수를 계산하고, 함수가 단사, 전사, 전단사인지 판정하며, 합성의 성질을 증명한다.
과정의 언어
다음 수업은 한 함수, 곧 후자 함수로 자연수를 정의하는데, 이 함수는 단사이며 의 값을 취하지 않는다. 다음 단원은 정수와 유리수를 동치 관계의 동치류로 구성한다. 조합론 수업은 원소의 개수를 전단사 함수로 정의한다. 자연수의 순서는 순서 관계이며, 셋째 단원은 실함수를 합성하고 그 역을 구한다. 이 모든 낱말은 같은 언어에 속하므로, 과정이 앞으로 인용할 첫 정리들과 함께 쓰기 전에 정해 두는 것이 좋다.
무엇을 미리 쓰는지 밝혀 둘 필요가 있다. 예에서는 작은 자연수와 그 순서, 덧셈, 곱셈, 나누어떨어짐, 나눗셈의 나머지를 학교에서 배운 대로 쓴다. 다음 수업은 페아노 공리로 자연수를 정의하고, 이 단원의 수업들은 이 연산들을 정의하고 그 성질을 증명하지만 이 수업의 예는 하나도 쓰지 않으므로 순환은 없다. 이 수업의 어떤 정리도 예에 의존하지 않는다. 수는 정리가 어떻게 작동하는지 보기 위해서만 쓰인다.
받아들이는 것
집합은 대상들의 모임이며, 그 대상을 원소라고 한다. 이라고 써서 가 에 속한다는 것을 나타내고, 라고 써서 이를 부정한다. 집합과 속함은 정의하지 않는다. 이들은 산술에서의 과 후자처럼 원시 개념이다. 그러나 모든 성질이 집합을 정하는 것은 아니다. 자기 자신에 속하지 않는 집합들로 이루어진 집합 이 있다면, 「이 에 속하는가」라는 물음에는 답이 없다. 의 정의에서 이 나오기 때문이다. 이 모순은 러셀이 1901년에 발견한 것으로, 집합을 만드는 방법을 제한하게 한다. 성질은 이미 주어진 집합에서 원소를 골라낼 수 있을 뿐이다.
증명 없이 받아들이는 사실 (소박한 집합론의 규칙). 이 수업에서 쓰는 소박한 집합론의 규칙을 증명 없이 받아들인다. 같은 원소를 갖는 두 집합은 같다. 주어진 집합 와 성질 로부터 집합 , 곧 의 원소 가운데 그 성질을 만족하는 것들의 집합을 만들 수 있다. 또한 공집합, 집합 (원소가 와 뿐인 집합), 집합들의 집합의 원소들의 합집합, 그리고 한 집합의 모든 부분집합의 집합이 존재한다. 자연수 집합의 성질을 갖는 집합의 존재는 다음 수업에서 받아들인다.
이 규칙들은 체르멜로와 프렝켈의 공리에 속하며, 그 연구는 집합론의 몫으로 이 과정의 범위를 넘는다. 그래서 여기서는 받아들이되, 무엇을 쓰는지 정확히 알 수 있도록 명시해 둔다.
양화사의 논리
증명은 연결사 , , , , 로 진술을 결합한다. 이 연결사들의 법칙은 보조 과정 수리논리학 I: 명제 논리에서 그 언어부터 다룬다. 여기서는 다음을 떠올리는 것으로 충분하다. 함의 는 가 참이고 가 거짓일 때에만 거짓이며, 그 대우 와 동치이다. 그리고 드모르간 법칙은 연언과 선언의 부정을 준다.
그러나 집합에 대해 말하려면 모든 원소에 대한 진술이나 어떤 원소에 대한 진술도 필요하다. 가 의 원소들의 성질일 때, 진술 는 「모든 (의 원소)에 대하여 」라고 읽으며, 의 모든 원소가 그 성질을 만족한다고 주장한다. 진술 는 「어떤 (의 원소)가 존재하여 」라고 읽으며, 적어도 한 원소가 그 성질을 만족한다고 주장한다. 그리고 는 그 성질을 만족하는 원소가 정확히 하나 있다고 주장한다. 기호 와 를 양화사라고 하며, 각각 전칭 양화사와 존재 양화사이다.
증명 없이 받아들이는 사실 (양화사의 부정). 모든 원소가 어떤 성질을 만족한다는 것을 부정하는 것은 어떤 원소가 그것을 만족하지 않는다고 주장하는 것이고, 어떤 원소가 그것을 만족한다는 것을 부정하는 것은 어떤 원소도 그것을 만족하지 않는다고 주장하는 것이다.
이 규칙들은 일계 논리에 속하며 여기서는 받아들인다. 이들은 드모르간 법칙을 일반화한다. 이면 전칭 진술은 이고 존재 진술은 이기 때문이다. 양화사의 순서는 중요하다. 진술 는 모든 자연수에 대해 그보다 큰 다른 자연수가 있다고 말하며 참이다. 진술 는 모든 자연수보다, 자기 자신보다도 큰 자연수가 있다고 말하며 거짓이다.
진술의 논리적 형식이 그것을 증명하는 방법을 정한다. 이 수업에서 쓰는 전략은 다음과 같으며, 그 논리적 근거는 연역 기법 수업에서 다룬다.
- 를 증명하려면 임의의 원소 (의 원소)를 잡아, 에 속한다는 것 말고는 아무것도 가정하지 않고 를 증명한다.
- 를 증명하려면 의 구체적인 원소 가운데 를 만족하는 것을 보인다. 를 부정하려면 반례, 곧 그것을 만족하지 않는 원소 하나로 충분하다.
- 를 증명하려면 를 가정하여 를 이끌어 내거나, 대우 를 증명하거나, 를 가정하여 모순을 이끌어 낸다.
- 를 증명하려면 두 함의 와 를 증명한다.
자연수의 집합 는 그 모든 원소보다 크거나 같은 자연수 가 존재할 때 위로 유계라고 한다. 이 정의를 양화사로 쓰고, 그 부정을 한 단계씩 써라.
증명
정의에서는 존재 양화사 뒤에 전칭 양화사가 온다. 같은 가 모든 원소에 대해 통해야 한다.
진술 전체를 부정한다.
존재 진술의 부정은 부정된 전칭 진술이다.
전칭 진술의 부정은 부정된 존재 진술이다.
자연수 순서의 삼분법에 의해, 를 부정하는 것은 를 주장하는 것이다. 집합이 위로 유계가 아닌 것은 어떤 자연수도 상계가 아닐 때, 곧 모든 후보가 어떤 원소에 의해 넘어설 때이다.
집합
속함, 상등, 포함
집합은 중괄호 안에 원소를 늘어놓는 원소나열법, 예를 들어 으로 나타낼 수도 있고, 성질을 이용하는 조건제시법, 예를 들어 (같은 집합이다)로 나타낼 수도 있다. 외연성 규칙은 집합이 그 원소로 정해진다고 말한다.
여기서 원소나열법에서는 순서도 중복도 상관없다는 것을 알 수 있다. 와 은 같은 원소를 가지므로 같은 집합이다. 또한 원소가 없는 집합은 하나뿐이며, 그것이 공집합 이라는 것도 알 수 있다. 원소가 없는 두 집합은 같은 원소를 가지기 때문이다. 곧 둘 다 원소가 없다.
정의 (포함). 집합 가 집합 에 포함된다, 또는 의 부분집합이라는 것은 의 모든 원소가 의 원소라는 것이다.
또한 이면, 를 의 진부분집합이라고 한다.
공집합은 모든 집합 에 포함된다. 함의 는 전건이 언제나 거짓이므로 참이기 때문이다. 속함과 포함은 구별해야 한다. 와 는 참이지만 는 거짓이다. 의 원소는 과 뿐이고, 집합 은 그 어느 것과도 같지 않기 때문이다. 인데, 을 유일한 원소로 갖는 집합은 과 다르기 때문이며, 또 이다.
임의의 집합 , , 에 대하여, 포함은 반사적, 곧 이고, 추이적, 곧 이고 이면 이며, 반대칭적, 곧 이고 이면 이다. 마지막 성질은 자명한 역과 함께 양방향 포함의 방법이다. 두 집합이 같다는 것을 증명하려면 각각이 다른 쪽에 포함된다는 것을 증명한다.
각 성질은 임의의 원소에 적용한 함의의 법칙으로 귀착된다. 그림은 집합을 평면의 영역으로 나타낸다.
증명
반사성: 임의의 에 대하여 함의 는 참이다. 후건이 전건 그 자체이기 때문이다.
추이성: 를 의 임의의 원소라 하자. 첫째 가정에 의해 는 에 속한다.
둘째 가정에 의해 는 에 속한다. 는 임의였으므로 이다.
반대칭성: 두 가정은 각 에 대하여 과 사이의 두 함의, 곧 그 동치를 준다.
외연성에 의해 와 는 같다. 거꾸로 이면, 반사성에 의해 각각이 다른 쪽에 포함된다.
합집합, 교집합, 차집합
정의 (집합의 연산). 와 의 합집합은 적어도 한쪽에 속하는 원소들의 집합이고, 교집합은 양쪽에 다 속하는 원소들의 집합이며, 차집합 는 에 속하고 에 속하지 않는 원소들의 집합이다.
일 때, 차집합 를 의 에 대한 여집합이라고 한다. 두 집합은 교집합이 공집합일 때 만나지 않는다고 한다.
각 연산은 하나의 연결사에 대응한다. 합집합은 선언에, 교집합은 연언에, 차집합은 연언과 부정에 대응한다. 그렇다면 논리의 각 법칙은 집합의 법칙을 낳는다. 합집합과 교집합은 교환적이고 결합적이며 서로에 대해 분배적이다. 연결사가 그렇기 때문이다. 이 모든 법칙은 다음 정리처럼 증명된다. 여집합은 언제나 어떤 기준 집합에 대해 취한다. 에 없는 모든 것의 집합은 러셀 역설을 다시 낳기 때문이다.
를 의 약수의 집합, 를 의 약수의 집합이라 하자. 합집합, 교집합, 두 차집합을 구하여라.
증명
공통 원소는 두 수의 공약수, 곧 의 약수이다.
의 원소 가운데 의 약수가 아닌 것은 에서 공통 원소를 뺀 나머지이다.
마찬가지로, 의 약수 가운데 의 약수가 아닌 것이다.
합집합은 어느 둘도 만나지 않는 세 부분을 모은 것이다. 각 원소는 한 번만 나타나며, 이다.
임의의 집합 , , 에 대하여, 에 대한 합집합의 여집합은 여집합들의 교집합이고, 교집합의 여집합은 여집합들의 합집합이다.
각 연산을 그 연결사로 옮겨, 임의의 원소가 좌변에 속할 필요충분조건은 우변에 속하는 것임을 증명한다. 그림은 벤 다이어그램 위에 관련된 영역을 칠해 보인다.
증명
를 임의로 잡자. 차집합의 정의에 의해, 좌변에 속한다는 것은 에 있고 에 없다는 것이다.
합집합의 정의에 의해.
논리의 드모르간 법칙에 의해, 선언의 부정은 부정들의 연언이다.
는 와 동치이므로, 조건 를 되풀이하고 연언의 결합성과 교환성으로 다시 묶는다.
차집합과 교집합의 정의에 의해, 이것은 우변에 속한다는 것이다. 외연성에 의해 첫째 법칙이 성립한다.
둘째 법칙도 같은 동치의 사슬로 증명되며, 합집합과 교집합, 선언과 연언을 서로 바꾸면 된다. 이때 쓰는 논리 법칙은 다른 드모르간 법칙이다.
멱집합
한 집합의 부분집합들은 그 자체로 다시 집합을 이루며, 그 존재는 처음에 받아들였다. 의 멱집합은 로 나타내며, 의 부분집합들을 원소로 갖는 집합이다.
예를 들어 의 멱집합은 여덟 개의 원소를 갖는다. 공집합, 세 개의 한원소 집합, 세 개의 두원소 집합, 그리고 자신이다.
임의의 집합 에 대하여, 공집합과 자신은 의 원소이며, 각 (의 원소)에 대하여 이지만, 는 일반적으로 의 원소가 아니다. 조합론 수업에서는 개의 원소를 갖는 집합이 개의 부분집합을 갖는다는 것을 증명한다.
순서쌍과 곱집합
평면의 점, 분수, 아직 하지 않은 뺄셈은 정해진 순서로 놓인 두 대상으로 기술된다. 쌍 는 쌍 이 아니다. 집합 는 이를 나타내는 데 쓸 수 없다. 과 같기 때문이다. 순서쌍에 요구하는 것은 하나뿐인데, 그것이 특성 성질이다. 두 쌍이 같을 필요충분조건은 첫째 성분이 일치하고 둘째 성분이 일치하는 것이다. 쿠라토프스키는 1921년에 이 성질을 갖는 대상을 구성하는 데 집합의 개념만으로 충분하다는 것을 보였다.
정의 (순서쌍). 첫째 성분이 이고 둘째 성분이 인 순서쌍은 다음 집합이다.
임의의 , , , 에 대하여, 쌍 와 가 같을 필요충분조건은 이고 인 것이다.
성분이 같으면 두 쌍은 같은 집합이다. 역에 대해서는 와 가 같은지 아닌지로 경우를 나누고, 관련된 각 집합이 원소를 몇 개 갖는지 센다. 그림은 각 쌍을 두 집합으로 이루어진 집합으로 그린다.
증명
두 쌍이 같다고 가정하자. 외연성에 의해 둘은 같은 원소를 갖는다.
첫째 경우, . 이때 이고, 좌변의 원소는 뿐이다. 따라서 우변의 두 원소는 모두 그것과 같다.
둘째 경우, . 집합 는 좌변에 속하므로 이거나 이다. 일 수는 없다. 두 원소를 갖기 때문이다. 따라서 이다.
도 좌변에 속한다. 그것이 라면 이 되어 우변의 원소는 뿐이지만 좌변에는 둘이 있다. 이는 불가능하다. 따라서 는 이다.
이므로, 원소 (의 원소)는 이거나 이다. 는 아니다(이기 때문이다). 따라서 이다.
두 경우 모두 성분이 일치한다.
특성 성질이 증명되면 쿠라토프스키의 구성은 잊어도 된다. 과정이 쌍에 대해 말하는 모든 것은 이 성질에서 나온다.
정의 (곱집합). 와 의 곱집합은 첫째 성분이 에 속하고 둘째 성분이 에 속하는 쌍들의 집합이다.
표기 자체는 받아들인 규칙 가운데 하나가 아니다. 그 규칙들은 이미 만들어진 집합에서 원소를 분리하는 것만 허용한다. 그러나 이 집합은 존재한다. 이고 이면 집합 와 는 에 포함되므로 의 원소이다. 여기서 쌍 이 에 포함된다는 것, 곧 의 원소라는 것을 알 수 있다. 따라서 곱집합은 받아들인 규칙이 존재를 보장하는 집합 안에서 분리로 만들어진다. 는 의 원소들의 합집합이며, 거기서 멱집합을 두 번 취한다.
이 이름은 데카르트를 떠올리게 한다. 해석기하의 평면이 이다. 곱은 교환적이지 않다. 는 만을 포함하고 은 만을 포함하는데, 특성 성질에 의해 뒤의 것은 앞의 것과 다르다.
곱 (단, , )를 쓰고, 그 원소의 개수를 두 인수의 원소의 개수와 비교하여라.
증명
의 원소를 가로축에, 의 원소를 세로축에 놓는다. 각 쌍은 격자의 한 점이다.
둘째 성분이 인 쌍들이 첫째 행을 이룬다.
둘째 성분이 인 쌍들이 둘째 행을 이룬다.
곱은 개의 원소를 갖는다. 행의 수는 의 원소의 개수와 같고, 각 행의 쌍의 수는 의 원소의 개수와 같다. 조합론의 곱의 법칙은 이 셈을 일반화한다.
관계
가 을 나눈다, 이 보다 작다, 또는 두 날짜가 같은 요일이라고 말하는 것은 어떤 대상들의 쌍이 관계되어 있다고 주장하는 것이다. 그렇다면 관계는 그것이 묶는 쌍들로 정해지며, 쌍들의 집합으로 정의할 수 있다.
정의 (관계). 에서 로의 관계는 부분집합 (곱 에 포함되는 것)이다. 위의 관계는 에서 로의 관계이다. 일 때, 는 와 에 의해 관계되어 있다고 한다.
예를 들어 위의 관계 「작거나 같다」는 쌍들의 집합 이다. 자주 쓰는 관계에서는 두 항 사이에 나 같은 기호를 쓰며, 라고 쓰지 않는다. 집합 위의 관계의 네 성질이 과정 전체에 걸쳐 되풀이된다.
정의 (관계의 성질). 관계 ( 위의 관계)는 각각 다음 조건을 만족할 때 반사적, 대칭적, 반대칭적, 추이적이라고 한다.
- 각 원소가 자기 자신과 관계되어 있으면 반사적이다: .
- 가 와 관계되어 있으면 도 와 관계되어 있을 때 대칭적이다: .
- 양방향으로 관계된 두 원소가 같을 때 반대칭적이다: .
- 가 와 관계되어 있고 가 와 관계되어 있으면 도 와 관계되어 있을 때 추이적이다: .
의 격자에서 관계는 점들의 집합이다. 쌍 로 이루어진 대각선 전체를 포함하면 반사적이고, 그 그림이 대각선에 대해 대칭이면 대칭적이며, 대각선 밖의 어떤 점도 그 대칭점이 관계에 들어 있지 않으면 반대칭적이다. 반대칭은 「대칭이 아님」을 뜻하지 않는다. 상등 관계는 두 성질을 다 가지며, 연습 문제 1은 둘 다 갖지 않는 관계를 요구한다.
위에서 나누어떨어짐 관계 와 관계 「홀짝이 같다」를 생각하자. 둘 다 의 격자에 그리고, 각 관계가 네 성질 가운데 어느 것을 만족하는지 판정하여라.
증명
나누어떨어짐 관계는 각 수를 안의 그 배수들과 묶는다. 은 모든 수와, 는 , , 과, 은 , 과 묶이고, 나머지는 각각 자기 자신과 묶인다. 쌍은 개이다.
각 수는 자기 자신을 나누므로 반사적이다. 대각선이 완전하다.
대칭적이지 않다. 반례 하나로 충분하다. 그러나 반대칭적이다. 이고 이면 각각이 다른 쪽보다 작거나 같기 때문이다.
추이적이다. 이고 이면 이다. 예를 들어 과 에서 이 나온다.
홀짝이 같다는 관계는 홀수끼리, 짝수끼리 묶는다. 쌍은 개이며, 대각선에 대해 대칭인 두 블록을 이룬다. 반사적, 대칭적, 추이적이지만 반대칭적이지는 않다. 과 을 묶지만 둘은 같지 않기 때문이다.
동치 관계
관계 「홀짝이 같다」는 부분적인 상등처럼 행동한다. 한 측면, 곧 홀짝에서 일치하는 수들을 같은 것으로 보고 나머지 측면은 무시한다. 이렇게 행동하게 하는 세 성질에는 이름이 있다.
정의 (동치 관계). 위의 관계가 반사적, 대칭적, 추이적일 때 동치 관계라고 한다. 이때 라고 쓰고, 는 와 동치라고 한다. 의 동치류는 와 동치인 원소들의 집합이며, 그 각 원소는 그 동치류의 대표원이다.
모든 동치류의 집합을 몫집합이라 하고 로 나타낸다.
동치 관계의 예로는 각 동치류가 원소 하나만 갖는 상등 관계, 동치류가 둘인 「홀짝이 같다」, 동치류가 셋인 「으로 나눈 나머지가 같다」, 그리고 예제 3에서 다루는, 동치류가 일곱인 「같은 요일이다」가 있다. 일반적으로 가 위에서 정의된 함수이면 관계 는 상등 관계로부터 세 성질을 물려받으며, 예제 5는 모든 동치 관계가 이런 꼴임을 보인다.
를 위의 동치 관계라 하자. 임의의 와 (의 원소)에 대하여, 각 원소는 자기 동치류에 속하고, 두 원소가 동치일 필요충분조건은 그 동치류가 같은 것이며, 공통 원소를 갖는 두 동치류는 같다. 각 결론은 동치 관계의 세 성질 가운데 하나를 동치류의 임의의 원소에 적용하여 얻는다.
증명
반사성에 의해 이고, 동치류의 정의에 의해 는 에 속한다. 따라서 공집합인 동치류는 없다.
이라 가정하고 가 에 속한다고 하자. 추이성에 의해 과 에서 이 나온다. 따라서 이다.
대칭성에 의해 이기도 하며, 같은 논증으로 를 얻는다. 양방향 포함에 의해 두 동치류는 같다.
거꾸로 이면 원소 는 에 속하므로 에 속한다. 곧 이다.
가 에도 에도 속하면, 대칭성과 추이성에 의해 과 에서 을 얻고, 앞의 결론에 의해 두 동치류는 같다.
따라서 동치류는 집합을 겹치지 않는 블록으로 나눈다. 집합을 나누는 이 방식은 따로 정의할 만하다.
정의 (분할). 집합 의 분할은 의 부분집합들의 집합으로서, 그 부분집합들(블록이라 한다)이 공집합이 아니고, 어느 둘도 만나지 않으며, 그 합집합이 인 것이다. 동치인 말로 하면, 의 각 원소가 정확히 한 블록에 속한다.
위의 동치 관계의 동치류는 의 분할을 이룬다. 거꾸로 가 의 분할이면, 관계 「같은 블록에 속한다」는 동치 관계이며, 그 동치류는 정확히 의 블록들이다. 첫째 부분은 앞의 보조정리이고, 둘째 부분은 각 원소가 한 블록에만 있다는 조건으로 세 성질을 확인한다. 그림은 관계 「으로 나눈 나머지가 같다」를 부터 까지의 수의 집합 위에서 따라간다.
증명
보조정리에 의해 공집합인 동치류는 없고 각 원소는 자기 동치류에 속하므로, 동치류들의 합집합은 이다.
보조정리에 의해 서로 다른 두 동치류는 공통 원소가 없다. 따라서 동치류들은 분할을 이룬다.
거꾸로 를 분할이라 하고, 라고 쓰기로 하자(와 가 같은 블록에 있을 때). 각 원소는 어떤 블록에 있으므로 자기 자신과 같은 블록에 있다. 이 관계는 반사적이다. 대칭성은 자명하다. 조건이 와 를 부르는 순서에 의존하지 않기 때문이다.
추이성: 와 가 블록 에 있고 와 가 블록 에 있으면, 는 에도 에도 있다. 각 원소는 한 블록에만 있으므로 이고, 와 는 같은 블록에 있다.
끝으로, 가 블록 에 있으면 의 동치류는 와 같은 블록에 있는 원소들, 곧 의 원소들로 이루어진다. 동치류가 곧 블록이다.
따라서 위의 동치 관계를 주는 것과 의 분할을 주는 것은 같은 것을 말하는 두 방식이다. 예제 4는 이를 이용하여 동치 관계를 센다. 몫집합은 새로운 집합으로 본 분할이다. 에서 로 옮겨 가면 동치인 원소들이 하나로 합쳐진다.
자연수 쌍의 집합 에서 를 정의한다. 그 조건은 이다. 이것이 동치 관계라는 것은 정수 수업에서 증명한다. , , 의 동치류의 대표원을 몇 개 구하고, 동치류를 쌍들의 격자 위에서 기술하여라.
증명
쌍 는 아직 하지 않은 뺄셈 를 나타내는데, 이 뺄셈은 자연수 안에서 존재하지 않을 수도 있다. 조건 은 뺄셈을 하나도 쓰지 않고 두 쌍이 같은 뺄셈을 나타낸다고 말한다.
의 동치류는 차 을 기술하는 쌍들을 포함한다. 예를 들어 이다. 이기 때문이다.
의 동치류는 성분이 같은 쌍들로 이루어진다. 등식 이 을 요구하기 때문이다. 이것은 격자의 대각선이다.
의 동치류는 아직 존재하지 않는 차, 곧 장래의 을 기술한다.
각 동치류는 대각선에 평행한 한 직선 위에 있는 쌍들의 집합이며, 정리에 의해 이 직선들은 격자의 분할을 이룬다. 정의에 의해 정수는 이 동치류 가운데 하나가 된다. 가 몫집합이다.
마찬가지로 유리수 수업에서는 두 분수 와 가 일 때 동치이고 유리수는 하나의 동치류이며, 합동식 수업에서는 을 법으로 하는 잉여류가 정수 사이의 한 동치 관계의 동치류이다.
순서 관계
앞의 예의 나누어떨어짐 관계는 대칭적이지 않고 반대칭적이었다. 원소들을 같은 것으로 보는 것이 아니라 순서를 매긴다. 이런 관계에는 고유한 이름이 있다.
정의 (순서). 위의 관계가 반사적, 반대칭적, 추이적일 때 순서 관계 또는 부분 순서라고 한다. 이때 라고 쓰고, 가 에 앞선다고 한다. 두 원소가 언제나 비교 가능할 때, 곧 임의의 와 에 대하여 이거나 일 때 그 순서는 전순서이다.
순서의 예로는 자연수 사이의 관계 (자연수의 연산 수업에서 증명하는 삼분법에 의해 전순서이다), 포함 관계(그 성질의 정리에 의해 순서이지만, 과 가 비교 가능하지 않으므로 전순서가 아니다), 그리고 자연수 사이의 나누어떨어짐 관계(그 반대칭성은 나누어떨어짐 수업에서 증명하며, 도 도 성립하지 않으므로 전순서가 아니다)가 있다. 유한 순서는 하세 도표로 그린다. 각 원소마다 점을 하나 두고, 를 보다 위에 두는 것은 가 에 앞설 때이며, 둘 사이에 다른 원소가 없을 때 선분으로 잇는다. 추이성 덕분에 나머지 선분은 생략할 수 있다.
정의 (한계와 극단적인 원소). 를 위의 순서, 를 의 부분집합이라 하자. 의 한계와 극단적인 원소를 다음과 같이 정의한다.
- 원소 (의 원소)가 의 하계라는 것은 의 모든 원소에 앞서는 것이고, 상계라는 것은 의 모든 원소가 그것에 앞서는 것이다.
- 의 최소원은 의 하계로서 에 속하는 것이고, 최대원은 상계로서 에 속하는 것이다.
- 원소 (의 원소)는 의 원소 가운데 그것과 다른 어떤 것도 그것에 앞서지 않을 때 극소원이고, 그것이 의 원소 가운데 자기와 다른 어떤 것에도 앞서지 않을 때 극대원이다.
- 의 하한은 그 하계들의 집합의 최대원이고, 상한은 그 상계들의 집합의 최소원이다. 단, 존재할 때에 한한다.
순서 집합의 부분집합 가 최소원을 가지면 그것은 유일하며 의 유일한 극소원이다. 순서가 전순서이면 의 극소원은 모두 그 최소원이다. 최대원과 극대원에 대해서도 같은 것이 성립한다. 유일성은 반대칭성에, 마지막 결론은 비교 가능성에 근거한다.
증명
과 이 모두 의 최소원이면, 각각이 에 속하고 그 모든 원소에 앞선다. 특히 각각이 다른 쪽에 앞서므로, 반대칭성에 의해 같다.
최소원 은 극소원이다. (의 원소)가 에 앞서면, 이기도 하므로 반대칭성에 의해 이다.
이 극소원이면, 은 에 앞서고 에 속하므로, 극소원의 정의에 의해 이다. 다른 극소원은 없다.
순서가 전순서이고 이 극소원이면, 각 (의 원소)에 대하여 이거나 이다. 둘째 경우에는 극소성에 의해 이다. 두 경우 모두 이므로 은 최소원이다.
집합 (의 약수의 집합으로, 나누어떨어짐으로 순서를 매긴 것)에서 부분집합 를 생각하자. 하세 도표를 그리고, 의 극소원과 극대원, 최소원, 최대원, 상계와 하계, 하한과 상한을 구하여라.
증명
도표에서 은 모든 수를 나누므로 맨 아래에 있다. 그 위에 와 이, 다시 그 위에 와 이, 맨 위에 가 있다. 선분으로 이어지는 것은 과 및 , 와 및 , 과 , 그리고 및 과 이다.
의 극소원은 와 이다. 의 다른 어떤 원소도 이들을 나누지 않는다. 극소원이 둘이므로 명제에 의해 에는 최소원이 없다. 와 이 비교 가능하지 않으므로 이 순서는 전순서가 아니다.
극대원은 와 이며, 이들은 의 다른 어떤 원소도 나누지 않는다. 최대원도 없다.
의 에서의 하계는 뿐이므로 이것이 하한이다. 상계는 뿐이며 이것이 상한이다. 둘 다 에 속하지 않는다.
이처럼 최소원과 최대원이 없어도 하한과 상한은 존재할 수 있다. 이 구별은 실수를 특징짓는다. 수 집합 수업에서는 위로 유계인 공집합이 아닌 실수의 집합이 모두 상한을 갖는다는 것을 완비성 공리로 받아들이는데, 유리수는 이를 만족하지 않는다. 한편 자연수는 정렬성 원리를 만족한다. 이것은 합과 귀납법 수업에서 증명하며, 공집합이 아닌 자연수의 집합은 모두 최소원을 갖는다는 것이다.
함수
관계로서의 함수
함수는 한 집합의 각 원소에 다른 집합의 원소를 정확히 하나 대응시킨다. 그렇다면 함수는 각 원소와 그것에 대응된 원소로 이루어진 쌍들로 정해지며, 특별한 성질을 갖는 관계로 정의할 수 있다.
정의 (함수). 함수 (에서 로의 함수)는 에서 로의 관계로서, 의 각 원소를 의 원소 정확히 하나와 관계시키는 것이다.
그 유일한 원소를 의 상이라 하고 로 나타낸다. 또 라고 쓰고, 를 의 정의역, 를 그 공역이라고 한다.
두 함수는 정의역이 같고 공역이 같으며 각 원소에서의 상이 같을 때 같다. 의 항등함수는 로 나타내며, 각 원소를 제자리에 둔다. 그것은 의 대각선이며, 모든 (의 원소)에 대하여 이다.
정의 (상과 원상). 라 하자. 부분집합 (의 부분집합)의 상은 그 원소들의 상의 집합이고, 부분집합 (의 부분집합)의 원상은 의 원소 가운데 상이 에 있는 것들의 집합이다.
정의역 전체의 상 를 의 치역이라 하고 로 나타낸다.
원상의 표기는 가 역함수를 갖는다고 가정하지 않는다. 원상은 어떤 함수에나 존재한다.
를 각 수에 그 약수의 개수를 대응시키는 함수라 하자. 그 값, 치역, 의 원상을 구하고, 와 를 비교하여라(단, , ).
증명
은 약수가 하나이다. , , 는 각각 둘이다. 는 셋, 곧 , , 를 갖고, 은 넷, 곧 , , , 을 갖는다.
공역의 각 원소는 어떤 원소의 상이다. 치역은 공역 전체이다.
약수를 정확히 둘 갖는 수는 정의역의 소수들이다.
와 의 교집합은 이고, 그 상은 이다.
한편 이다. 와 이 같은 상을 갖기 때문이다. 일반적으로는 포함 만 성립한다. (의 원소)는 두 상 모두의 증거가 되기 때문이다. 여기서의 와 처럼 증거가 다르면 등식은 성립하지 않는다.
합성
이고 이면, 각 (의 원소)는 에 상 를 가지며, 그것은 다시 에 상을 갖는다. 와 의 합성은 함수 로서, 먼저 를, 다음에 를 적용한다.
이것은 함수이다. 각 에는 가 하나만 대응하고, 그것에는 가 하나만 대응하기 때문이다. 쓰는 순서는 적용하는 순서의 반대이다. 에서는 오른쪽 함수가 먼저 작용한다. 합성은 교환적이지 않다. 자연수에서 이고 이면, 은 홀수이고 은 짝수이다. 항등함수는 양쪽에서 중립적이다. 이고 이기 때문이다.
, , 이면 함수 와 는 같다. 둘 다 에서 로의 함수이다. 합성의 정의를 두 번 펼쳐서 각 원소에서 같은 값을 취한다는 것을 확인하면 충분하다. 그림은 함수를 네 열 사이의 화살표로 나타낸다.
증명
를 의 임의의 원소라 하자. 합성의 정의를 와 에 적용한다.
다시 정의에 의해, 이번에는 에 적용한다.
다른 한편, 정의를 와 에 적용한다.
그리고 정의를 에, 원소 에서 적용한다.
두 함수는 정의역, 공역, 값이 같다. 따라서 같다. 그래서 괄호 없이 라고 쓴다.
단사, 전사, 전단사 함수
정의. 함수 는 서로 다른 원소가 서로 다른 상을 가질 때, 또는 대우로 말하면 상이 같으면 원소가 같을 때 단사이고, 의 모든 원소가 의 어떤 원소의 상일 때, 곧 일 때 전사이며, 단사이면서 전사일 때 전단사, 곧 전단사 함수이다.
예의 약수의 개수 함수는 전사이지만 단사가 아니다. 자연수에서 자연수로의 함수 은 단사이지만 전사가 아니다. 은 어떤 자연수의 두 배도 아니기 때문이다. 다음 수업의 후자 함수는 페아노의 넷째 공리에 의해 에서 으로의 단사 함수이고, 셋째 공리에 의해 전사가 아니다. 은 어떤 자연수의 상도 아니기 때문이다. 전사성은 선언된 공역에 의존한다. 전단사 함수는 두 집합의 원소들을 중복도 빠짐도 없이 짝짓는다. 그래서 조합론 수업은 가 개의 원소를 갖는다는 것을 에서 로의 전단사 함수가 존재한다는 것으로 정의한다.
이고 라 하자. 와 가 단사이면 는 단사이다. 와 가 전사이면 는 전사이다. 따라서 둘 다 전단사이면 는 전단사이다. 단사성에 대해서는 합성의 흐름을 에서 로 거슬러 간다. 전사성에 대해서도 마찬가지이지만 원상을 찾으며 거슬러 간다. 그림은 세 열을 보여 준다.
증명
단사성: 와 (의 원소)가 에 의한 같은 상을 갖는다고 하자.
는 단사이므로, 원소 와 는 에 의한 상이 같으므로 같다.
는 단사이므로 이다. 따라서 는 단사이다.
전사성: (의 원소)를 잡자. 는 전사이므로 (의 원소)로서 인 것이 있다. 는 전사이므로 (의 원소)로서 인 것이 있다.
그 는 합성에 의한 의 원상이다. 따라서 는 전사이며, 두 함수가 모두 전단사이면 합성도 전단사이다.
역함수
함수 가 를 되돌린다는 것은 다음에 적용하면 각 원소를 출발점으로 돌려보낸다는 것, 곧 라는 것이다. 또 가 거꾸로 를 되돌리는 것은 일 때이다. 두 등식을 모두 만족하는 함수를 의 역함수라고 한다. 다음 정리는 어떤 함수가 역함수를 갖는지 말해 준다.
함수 가 전단사일 필요충분조건은 함수 가 존재하여 이고 인 것이다. 그 함수 는 유일하며, 의 역함수라 하고 으로 나타낸다. 또한 은 전단사이며 그 역함수는 이다. 역함수를 구성하려면 의 쌍들을 뒤집고, 유일성에는 합성의 결합성을 쓴다. 그림은 원소가 넷인 두 집합 사이의 전단사 함수를 따라간다.
증명
가 전단사라고 가정하자. 각 (의 원소)에 대하여 로서 인 것이 있고(가 전사이기 때문이다), 그것은 하나뿐이다(가 단사이기 때문이다). 따라서 의 쌍들을 뒤집어 얻는 관계는 에서 로의 함수이다.
의 정의에 의해, 를 적용한 다음 를 적용하면 각 가 되돌아오고, 를 적용한 다음 를 적용하면 각 가 되돌아온다.
거꾸로 가 존재한다고 가정하자. 이면 를 적용하여 을 얻는다. 함수 는 단사이다.
각 (의 원소)에 대하여 원소 는 의 원상이다. 함수 는 전사이며, 따라서 전단사이다.
유일성: 와 가 모두 두 등식을 만족하면, 항등함수를 끼워 넣고 결합성으로 다시 묶는다.
정의의 두 등식은 와 에 대해 대칭이다. 는 을 양방향으로 되돌린다. 이미 증명한 부분에 의해 은 전단사이며 그 역함수는 이다.
임의의 집합 , , 에 대하여, 에서 로의 전단사 함수가 존재한다. 에서 로의 전단사 함수가 존재하면 에서 로의 전단사 함수가 존재한다. 에서 로의 전단사 함수와 에서 로의 전단사 함수가 존재하면 에서 로의 전단사 함수가 존재한다. 특히 가 개의 원소를 갖고 에서 로의 전단사 함수가 존재하면, 는 개의 원소를 갖는다. 각 주장은 앞의 정리 가운데 하나이다.
증명
항등함수는 전단사 함수이다. 그 자신이 역함수이기 때문이다.
역함수 정리에 의해, 전단사 함수의 역함수는 전단사 함수이다.
앞의 정리에 의해, 두 전단사 함수의 합성은 전단사 함수이다.
가 에서 로의 전단사 함수이고 가 에서 로의 전단사 함수이면, 합성은 에서 로의 전단사 함수이다.
이것을 동치 관계라고 부르지 않는 것은 그것을 정의할 모든 집합의 집합이 없기 때문이다. 함수의 연산 수업은 이 결과들을 실함수에 적용할 것이며, 거기서 역함수의 그래프는 원래 함수의 그래프를 대각선에 대해 대칭으로 옮긴 것이 된다. 이것이 쌍을 뒤집는 것의 기하학적 모습이다.
예제
문제들은 함수에 관한 두 연습에서 동치 관계의 세 응용으로 나아간다. 둘째 문제는 자연수의 곱셈과 그 소거법칙을 쓰는데, 이는 자연수의 연산 수업에서 증명한다. 셋째 문제는 나머지가 있는 나눗셈을 쓰는데, 이는 나누어떨어짐 수업에서 증명한다. 그 결과들 가운데 어느 것도 이 수업에 의존하지 않는다.
이고 라 하자. 가 단사이면 는 단사이고, 가 전사이면 는 전사임을 증명하여라. 또 가 전단사이면서 는 단사가 아니고 는 전사가 아닐 수 있음을 예로 보여라.
풀이
와 (의 원소)가 을 만족한다고 하자. 는 함수이므로 같은 원소에 같은 상을 대응시킨다.
이 등식은 에 의한 상의 등식이며, 이 함수는 단사이다. 따라서 이고, 는 단사이다.
(의 원소)를 잡자. 는 전사이므로 로서 인 것이 있다. 원소 (의 원소)는 의 원상이다(에 의한 원상).
예로서 과 를 잡고, , 이라 하자. 합성은 의 항등함수이며 전단사이다.
그러나 는 단사가 아니다. 이기 때문이다. 또 는 전사가 아니다. 는 어떤 것의 상도 아니기 때문이다. 합성이 전하는 것은 첫째 인수의 단사성과 둘째 인수의 전사성이며, 그 이상은 아니다.
를 짝수의 집합이라 하자. 에서 로의 전단사 함수를 그 역함수와 함께 구성하고, 가 의 진부분집합임에 주목하여라.
풀이
두 배 하기를 제안한다: . 이것은 에서 로의 함수이다. 은 짝수이고 가 그 증거이기 때문이다.
단사성: 이면 자연수 곱셈의 소거법칙에 의해 이다.
전사성: 모든 (의 원소)는 꼴이다(는 자연수). 따라서 의 상이다.
역함수 정리에 의해 는 역함수를 갖는다. 그것은 각 짝수에 그 절반을 대응시키는 함수이며, 그 절반은 앞 단계의 자연수 이고 소거법칙에 의해 유일하다.
그러나 는 의 진부분집합이다. 은 짝수가 아니다. 이 모든 자연수 에 대하여 성립하기 때문이다.
이 결과는 부분이 전체보다 작다는 직관에 어긋나며, 갈릴레이는 이미 1638년에 자연수를 그 제곱과 짝지으면서 이를 알아차렸다. 어떤 유한 집합도 자신의 진부분집합과 전단사 대응을 이루지 않는다는 것은 비둘기집 원리의 한 형태이며, 조합론 수업은 이 원리를 원소 개수의 유일성과 함께 증명 없이 받아들인다. 이 원리를 받아들이면 은 유한하지 않다. 데데킨트는 바로 이 성질을 무한 집합의 정의로 삼았으며, 페아노 공리 수업은 이 이 성질을 갖는다는 것을 보인다.
2026년 1월 1일은 목요일이었다. 2026년의 날들에 부터 까지 번호를 매기고, 두 날의 번호를 로 나눈 나머지가 같을 때 두 날이 동치라고 하자. 이것이 동치 관계임을 증명하고, 그 동치류를 기술하며, 2026년 10월 5일이 무슨 요일인지, 2027년 10월 5일이 무슨 요일일지 구하여라.
풀이
을 을 로 나눈 나머지라 하자. 나머지가 있는 나눗셈의 정리에 의해 이것은 유일하다. 관계는 이며, 상등 관계로부터 세 성질을 물려받는다. 이고, 이면 이며, 이고 이면 이다.
가능한 나머지는 이며, 각각이 실제로 나타나므로 동치류는 일곱 개, 곧 일곱 열짜리 달력의 일곱 열이다. 한 주는 이레마다 되풀이되므로, 동치인 두 날은 같은 요일이다.
10월 5일은 그해의 번째 날이다. 앞의 아홉 달의 날수를 합하면 일이기 때문이다.
로 나눈다. 나머지는 이므로 10월 5일은 번째 날, 곧 1월 5일의 동치류에 들어간다.
번째 날은 목요일이었으므로, 나흘 뒤인 번째 날은 월요일이었다. 2026년 10월 5일은 월요일이다.
2026년은 일이고 이다. 다음 해의 같은 날짜는 일 뒤, 곧 요일이 하루 뒤로 밀린다. 2027년 10월 5일은 화요일일 것이다.
집합 위의 동치 관계는 몇 개인가?
풀이
동치 관계와 분할의 정리에 의해, 각 동치 관계는 그 동치류들의 분할을 정하고, 각 분할 는 동치 관계 「같은 블록에 있다」를 정하며 그 동치류는 블록들이다. 두 대응은 서로를 되돌린다. 따라서 분할을 세면 충분하며, 블록의 크기에 따라 분류한다.
원소가 넷인 블록 하나: 분할 하나, 곧 동치류가 하나뿐인 분할.
원소가 셋인 블록 하나와 원소가 하나인 블록 하나: 혼자 남는 원소를 고르는 방법의 수만큼, 곧 넷.
원소가 둘인 블록 둘: 의 짝으로 정해지며, 그것은 , , 가운데 하나이다. 셋.
원소가 둘인 블록 하나와 원소가 하나인 블록 둘: 원소가 둘인 블록을 이루는 쌍으로 정해지며, 그런 쌍은 여섯 개이다.
원소가 하나인 블록 넷: 분할 하나, 곧 상등 관계의 분할. 다섯 유형을 더하면 동치 관계의 개수를 얻는다.
원소가 , , , , 개인 집합의 분할의 개수는 , , , , 이다. 이를 벨 수라 하며, 연습 문제 2에서 다섯째 수를 구한다.
를 함수라 하자. 관계 (로 정의되는 관계)가 동치 관계임을 증명하고, 가 세 함수의 합성임을 증명하여라. 세 함수는 전사 (각 원소를 그 동치류로 보내는 함수), 전단사 함수 (몫집합에서 의 치역으로의 함수), 그리고 단사 (치역의 각 원소를 안의 자기 자신으로 보내는 함수)이다. 이것을 예의 약수의 개수 함수에 적용하여라.
풀이
관계 는 예제 3과 같은 논증에 의해 동치 관계이다. 그 동치류는 치역의 원소들의 원상이다. 의 동치류는 그것과 같은 상을 갖는 원소들을 모은다. 예에서는 , , , 이다.
함수 는 에서 로의 함수이며 전사이다. 모든 동치류는 그 원소 가운데 어느 것의 동치류이기 때문이다.
라고 정의한다. 한 동치류에는 대표원이 많으므로, 값이 고른 대표원에 의존하지 않는다는 것을 확인해야 한다. 이면 , 곧 이다.
함수 는 단사이다. 앞의 함의를 거꾸로 할 수 있기 때문이다. 이면 이고 이다. 치역 위로의 전사이다. 각 는 이기 때문이다.
포함 함수 (치역에서 로의 함수)는 단사이며, 합성은 를 돌려준다. 예에서 네 동치류는 각각 , , , 로 간다. 동치류 가 원소를 셋 가지므로 함수는 단사가 아니다.
이 문제는 모든 함수가 그 정의역을 분류한다는 것을, 그리고 거꾸로 동치류의 보조정리에 의해 모든 동치 관계가 어떤 함수, 곧 각 원소를 그 동치류로 보내는 함수에 대한 관계 「같은 상을 갖는다」라는 것을 보여 준다. 이처럼 성적 제도는 학생들을 점수에 따라 부류로 나누고, 우편번호는 주소를 지역에 따라 나누며, 나머지 함수는 수를 나머지에 따라 나눈다.
연습 문제
각 문제에는 힌트가 있으며, 스스로 시도해 본 뒤에 여는 것이 좋다. 최종 답은 힌트 뒤에 나온다.
임의의 집합 , , 에 대하여 다음을 증명하여라.
또한 위의 관계로서 대칭적이지도 반대칭적이지도 않은 것의 예를 들어라.
힌트
오른쪽 방향의 함의에 대해서는 (의 원소)를 잡아라. 그것은 우변에 있고, 따라서 좌변에 있으며, 따라서 에 있다. 다른 방향에 대해서는 각 가 에 있는지 에 있는지 구별하여 양방향 포함을 증명하여라. 관계에 대해서는 한 쌍과 그 대칭쌍을 함께 넣고, 대칭쌍이 없는 다른 쌍을 하나 더하여라.
정답
등식이 성립하면 는 우변에 포함되고, 우변은 좌변과 같으며, 좌변은 에 포함된다. 이면 의 원소로서 나 에 있는 것은 나 에 있고, 거꾸로 의 원소는 에도 에도 있다. 대칭적이지도 반대칭적이지도 않은 관계는
풀이 과정
풀이
등식이 성립하고 가 에 있으면, 는 우변에 있다. 우변이 를 포함하기 때문이다. 등식에 의해 그것은 좌변에 있고, 특히 에 있다. 따라서 이다.
거꾸로 이라 가정하고 를 좌변의 원소라 하자. 그것은 에 있고, 또 나 에 있다. 첫째 경우에는 에 있고, 둘째 경우에는 에 있다. 두 경우 모두 우변에 있다.
이제 를 우변의 원소라 하자. 에 있으면 에도 에도 있다. 에 있으면 에 있고, 가정 에 의해 에도 있다.
양방향 포함에 의해 일 때 두 변은 같다. 첫 단계와 함께 동치가 증명되었다.
제시한 관계에서 쌍 은 들어 있지만 그 대칭쌍 는 들어 있지 않으므로 대칭적이지 않다. 쌍 와 은 들어 있고 이므로 반대칭적이지 않다.
집합 위의 동치 관계를 세고, 그 가운데 동치류가 정확히 둘인 것이 몇 개인지 구하여라.
힌트
예제 4에서처럼 분할을 블록의 크기에 따라 분류하여라. 부터 까지 일곱 유형이 있다. 원소가 셋인 블록과 둘인 블록에 대해서는 둘인 블록을 고르면 충분하다. 원소가 둘인 블록 둘과 하나인 블록 하나에 대해서는 먼저 혼자 남는 원소를 골라라.
정답
유형별로 이다. 동치류가 둘인 것은 유형 과 의 것들이며, 합하면 이다.
와 가 전단사라 하자. 의 역함수가 이 순서로 임을 증명하여라. 이것을 옷 입기에 적용하여라. 가 양말을 신는 것이고 가 신발을 신는 것이라면, 이 작업은 어떤 순서로 되돌려지는가?
힌트
역함수의 유일성에 의해, 과 를 두 순서로 합성하면 항등함수가 된다는 것을 확인하면 충분하다. 과 가, 와 이 만나도록 결합성으로 다시 묶어라.
정답
결합성에 의해 가운데 인수들이 서로 상쇄된다. 역함수의 유일성에 의해 이다. 옷을 벗을 때는 먼저 신발을 벗고, 다음에 양말을 벗는다.
풀이 과정
풀이
두 전단사 함수의 합성은 전단사이므로 역함수가 하나뿐이다. (에서 로의 함수)가 두 순서 모두에서 그것을 되돌린다는 것을 확인하면 충분하다.
첫째 순서: 합성의 결합성에 의해 이 와 만나며, 그 합성은 의 항등함수이므로 를 바꾸지 않는다.
둘째 순서: 마찬가지로 가 과 만난다.
역함수의 유일성에 의해 은 의 역함수이다. 인수들은 반대 순서로 뒤집힌다.
옷 입기는 이다. 먼저 양말, 다음에 신발이다. 이를 되돌리려면 먼저 , 곧 신발을 벗는 것을 적용하고, 다음에 , 곧 양말을 벗는 것을 적용한다.
다음으로 정의되는 함수 이
전단사 함수임을 증명하여라.
힌트
모든 자연수 은 의 거듭제곱과 홀수의 곱으로 단 한 가지로 쓸 수 있다. 수가 짝수인 동안 로 나누어라. 몫은 줄어들므로 이 과정은 끝난다. 유일성에 대해서는 (단, 와 는 홀수, )이면 을 소거하고 두 변의 홀짝을 비교하여라.
정답
함수는 전단사이다. 의 지수(에서의 지수)가 를 주고, 홀수 부분 이 를 준다. 처음 몇 값은 다음과 같다.
풀이 과정
풀이
함수는 잘 정의된다. 은 이거나 자연수이며, 첫째 경우에는 지수가 영인 거듭제곱의 약속에 의해 이다. 이 약속은 기본 연산 수업에서 정당화한다. 또한 은 홀수이다. 표에서 행에는 과 홀수들의 곱이 놓인다.
전사성: 이 주어지면 수가 짝수인 동안 로 나눈다. 몫은 줄어들고, 자연수의 순감소 수열은 무한할 수 없다(이것이 정렬성 원리이며, 합과 귀납법 수업에서 증명하는 것을 여기서 앞당겨 쓴다). 과정은 홀수 에서 끝나고, 나눗셈의 횟수는 이다. 그리고 (단, )이다.
단사성: , 곧 라 가정하자. 여기서 , , , 이고, 와 는 홀수이다. 이라면 을 소거할 때 홀수가 짝수와 같아지는데, 이는 불가능하다. 인 경우도 마찬가지이며, 삼분법에 의해 , 곧 이다.
일 때 곱셈의 소거법칙에 의해 이다. 여기서 이 나오고, 곱셈의 소거법칙에 의해 이다. 두 쌍은 두 좌표에서 모두 일치한다.
따라서 함수는 에서 으로의 전단사 함수이다. 예를 들어 은 쌍 의 상이다.
한 학생이 여섯 과목 , , , , , 를 한 번에 하나씩 수강할 계획을 세운다. 과목 는 와 의 선수 과목이고, 과목 와 는 의 선수 과목이며, 는 의 선수 과목이다. 라고 쓰기로 하자(이거나, 를 직접 또는 간접적으로 보다 먼저 수강해야 할 때). 이때 가 부분 순서임을 증명하고, 그 극소원과 극대원을 구하며, 선수 과목을 지키면서 여섯 과목을 늘어놓는 방법의 수를 세어라.
힌트
올바른 배열은 를 포함하는 전순서이다. 과목 , , , 는 와 가운데 어느 것이 먼저냐에 따라 두 가지 순서로만 수강할 수 있다. 그다음 와 를 이 순서로 다른 네 과목 사이에 끼워 넣어야 한다. 여섯 자리 가운데 어느 두 자리를 차지할지 골라라.
정답
극소원은 와 , 극대원은 와 이며, 최소원도 최대원도 없다. 가지 방법으로 여섯 자리 가운데 와 의 자리를 고를 수 있다. 따라서
풀이 과정
풀이
이 관계는 정의에 의해 반사적이다. 정의의 첫째 선택지 는 가 자신일 때 성립하기 때문이다. 추이적이다. 직접 또는 간접적으로 가 보다 먼저이고 가 보다 먼저이면, 는 보다 먼저이다.
반대칭적이다. 이고 이며 이라면, 선수 과목이 순환을 이루어 두 과목 가운데 어느 것도 먼저 수강할 수 없게 된다. 그림에서 선수 과목의 화살표는 언제나 아래를 향하며, 순환은 없다.
극소원은 선수 과목이 없는 과목 와 이고, 극대원은 어떤 과목의 선수 과목도 아닌 과목 와 이다. 와 가 비교 가능하지 않고 와 도 비교 가능하지 않으므로 최소원도 최대원도 없다.
과목 , , , 는 두 가지 순서만 허용한다. 가 맨 처음, 가 맨 끝이고, 그 사이의 와 는 어느 순서여도 된다.
남은 것은 와 를 이 순서로 끼워 넣는 것이다. 여섯 자리 가운데 그것들이 차지할 두 자리를 고르면 되며, 그 방법은 가지이고 의 자리에 따라 정해진다. 두 가지 순서 각각이 이 선택들 각각과 짝지어지므로 배열은 이지이다.