V = L 공리의 무모순성

디멘·2024년 12월 11일

집합론

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1. 전체

1.1. 폰 노이만 전체

초한귀납적으로 {Vα}\{ V_\alpha \}를 정의하자.

  • V0=V_0 = \varnothing
  • Vα+1=VαP(Vα)V_{\alpha + 1} = V_\alpha \cup \mathcal{P}(V_\alpha)
  • λ\lambda가 극한 서수일 때, Vλ=α<λVαV_\lambda = \bigcup_{\alpha < \lambda} V_\alpha

처음 몇 개의 VαV_\alpha는 다음과 같다.

  • V1={}V_1 = \{ \varnothing \}
  • V2={,{}}V_2 = \{ \varnothing, \{ \varnothing \} \}
  • V3={,{},{{}},{,{{}}}V_3 = \{ \varnothing, \{ \varnothing \}, \{ \{ \varnothing \} \}, \{ \varnothing, \{ \{ \varnothing\} \} \}
  • Vω=HFV_\omega = \mathsf{HF}

모든 서수 α\alpha에 대해 VαV_\alpha를 모아둔 모임을 폰 노이만 전체라고 한다.

V=αOrdVαV = \bigcup_{\alpha \in \mathrm{Ord}} V_\alpha

xyzx \in y \in zxzx \in z를 시사할 때 zz추이적 집합(transitive set)이라고 한다. 이것은 VV의 중요한 특징이다.

정리.

  1. αOrd\alpha \in \mathrm{Ord}에 대해 VαV_\alpha는 추이적이다.
  2. VV는 추이적이다.

증명은 초한귀납법을 이용한다. 이에 따라 VV를 다음과 같이 정의해도 무방하다.

  • V0=V_0 = \varnothing
  • Vα+1=P(Vα)V_{\alpha + 1} = \mathcal{P}(V_\alpha)
  • λ\lambda가 극한 서수일 때, Vλ=α<λVαV_\lambda = \bigcup_{\alpha < \lambda}V_\alpha

직관적으로 생각했을 때 VV는 모든 집합을 포함하는 듯하다. 실제로 다음을 증명할 수 있다.

정리. xx가 집합이라면 xVx \in V이다.

증명. 집합 xx에 대해 xx추이적 폐포 xˉ\bar{x}를, xx를 원소로 가지는 가장 작은 추이적 집합으로 정의한다(추이적 집합들의 교집합은 추이적이기 때문에 이 정의는 정당하다).

xVx \notin V라고 가정하자. 분류 공리에 의해 y={uxˉ:uV}y = \{ u \in \bar{x} : u \notin V \}가 집합이며, 정초 공리에 의해 yy\in-극소 원소 zz가 존재한다. 만약 wVw \notin Vwzw \in z가 존재한다면, 추이성에 의해 wyw \in y가 되어 zz\in-극소성과 모순된다. 따라서 zz의 모든 원소는 VV에 있으며, 치환 공리로부터 Ω={αOrdwz:wVα}\Omega = \{ \alpha \in \mathrm{Ord} \mid \exists w \in z : w \in V_\alpha\}가 집합이다. 부랄리포르티 정리에 의해 β=αΩα\beta = \bigcup_{\alpha \in \Omega}\alpha가 서수이며, zVβ+1z \in V_{\beta + 1}이다. (이 부분에서 Vβ+1=P(Vβ)V_{\beta + 1} = \mathcal{P}(V_\beta)임이 필요하다) 따라서 모순이다. ■

이에 따라 VV는 집합이 아니다. 따라서 VV는 모든 집합을 포함한다는 점에서 ZFC의 모델이지만, 많은 수학자들은 모델이 집합일 것을 요구하기 때문에 엄격한 의미에서의 모델은 아니다. 하지만 이 글에서는 편의를 위해 VV를 집합론의 모델이라고 부르도록 한다. 또한 xVx \in V를 "xx는 집합이다“의 형식적 표현으로 이해하도록 한다.

1.2. 괴델 구성 가능 전체

먼저 다음과 같이 구성 가능성을 정의한다.

정의. uu가 집합 SS로부터 구성 가능하다는 것은, 어떤 1차 논리 명제 ϕ(y,x1,,xn)\phi(y, x_1, \dots, x_n)c1,,cnSc_1, \dots, c_n \in S가 존재하여 다음이 성립하는 것이다.

yu    ySϕ(y,c1,,cn)y \in u \iff y \in S \land \phi(y, c_1, \dots, c_n)

단, ϕ\phi의 양화사의 정의역은 SS이다.

예를 들어 S={0,1,2}S = \{0, 1, 2\}일 때 다음은 u={1,2}u = \{ 1, 2 \}를 구성한다.

  • ϕ(y,x1,x2)(y=x1)(y=x2)\phi(y, x_1, x_2) \coloneqq (y = x_1) \lor (y = x_2)
  • c1=1,c2=2c_1 = 1, c_2 = 2

또한 S=NS = \mathbb{N}일 때 다음은 u={0,3,6,9,}u = \{0, 3, 6, 9, \dots \}를 구성한다.

  • ϕ(y,x1)x1y\phi(y, x_1) \coloneqq x_1 \mid y
  • c1=3c_1 = 3

괴델의 구성가능성은 일반적인 의미에서의 구성가능성, 즉 언어로서의 표현가능성과 다르다. 일례로 언어로 표현가능한 실수의 집합은 가산이므로, 어떤 실수는 언어로 표현이 불가능하다. 그러한 실수를 rr이라고 하자. 이제 S=RS = \mathbb{R}일 때, 다음은 u={r}u = \{ r \}을 구성한다.

  • ϕ(y,x1)x1=y\phi(y, x_1) \coloneqq x_1 = y
  • c1=rc_1 = r

즉, 괴델의 구성가능성은 자유변수의 초기화를 임의의 원소에 대해 허용한다는 점에서 강력하다. 그러나 자유변수의 수가 유한하다는 점에서 한계를 가진다. 이제 초한귀납적으로 {Lα}\{ L_\alpha \}를 정의하자.

  • L0=L_0 = \varnothing
  • Lα+1={x:x is constructible from Lα}L_{\alpha + 1} = \{ x : x \text{ is constructible from } L_\alpha \}
  • λ\lambda가 극한 서수일 때, Lλ=α<λLαL_\lambda = \bigcup_{\alpha < \lambda} L_\alpha
  • L=α<λLαL = \bigcup_{\alpha < \lambda} L_\alpha

α<ω\alpha < \omega일 때 Lα=VαL_\alpha = V_\alpha임을 쉽게 보일 수 있다. α=n\alpha = n일 때, 최대 nn개의 \lor 연언으로 xVαx \in V_\alpha를 구성할 수 있기 때문이다. 따라서,

  • L1={}L_1 = \{ \varnothing \}
  • L2={,{}}L_2 = \{ \varnothing, \{ \varnothing \} \}
  • L3={,{},{{}},{,{{}}}L_3 = \{ \varnothing, \{ \varnothing \}, \{ \{ \varnothing \} \}, \{ \varnothing, \{ \{ \varnothing\} \} \}
  • Lω=HFL_\omega = \mathsf{HF}

하지만 Lω+1Vω+1L_{\omega + 1} \subsetneq V_{\omega + 1}이다. P(N)Vω+1\mathcal{P}(\mathbb{N}) \subset V_{\omega + 1}이므로 Vω+1V_{\omega + 1}은 비가산인 반면, 1차 논리 문장들의 집합과 LωL_\omega는 모두 가산이므로 Lω+1L_{\omega + 1} 또한 가산이기 때문이다. 일반적으로 α\alpha가 가산일 때 LαL_\alpha는 가산이다.

그럼에도 LLVV와 많은 특징을 공유한다. 일례로,

정리. αOrd\alpha \in \mathrm{Ord}에 대해 다음이 성립한다.

  1. LαL_\alpha는 추이적이다. (따라서 LL이 추이적이다)
  2. αLα+1Lα\alpha \in L_{\alpha + 1} \setminus L_{\alpha}

증명은 초한귀납법을 사용한다.

LL은 모든 서수를 포함하므로 부랄리포르티 정리에 의해 집합이 아님에 유의하라. 대신 xLαx \in L_\alpha에 대응되는 1차 논리식 IsInLα(x)\mathsf{IsInL}_\alpha(x)가 존재한다. 증명은 조금 까다로운데, 괴델 수를 이용하여 명제를 산술화하면 된다. (링크 참조) 따라서 xLx \in LαOrd:IsInLα(x)\exists \alpha \in \mathrm{Ord} :\mathsf{IsInL}_\alpha(x)를 대체하는 형식적 표현으로 이해하여 사용하도록 한다. (물론 αOrd\alpha \in \mathrm{Ord} 또한 1차 논리식을 대체하는 형식적 표현으로 이해되어야 한다)

2. 상대화

2.1. 명제의 상대화

1차 논리 명제는 양화사를 포함할 수 있다. 때문에 양화사의 정의역을 어떻게 설정하느냐의 따라 명제의 의미가 달라진다.

명제 ϕ\phi와 집합 (또는 모임) AA에 대해, ϕ\phi의 상대화 ϕA\phi^Aϕ\phi의 모든 양화사를 AA로 제한한 명제로 정의한다. 약간의 서사적 표현을 곁들이자면, ϕA\phi^AAA의 “내부”에서 이해한 ϕ\phi라고 할 수 있겠다. 예를 들어, ϕ:x  y:y<x\phi : \forall x \; \exists y : y < x일 때

  • ϕN:xN  yN:y<x\phi^\mathbb{N} : \forall x \in \mathbb{N} \; \exists y \in \mathbb{N} : y < x
  • ϕZ:xZ  yZ:y<x\phi^\mathbb{Z} : \forall x \in \mathbb{Z} \; \exists y \in \mathbb{Z} : y < x

TQT_\mathbb{Q}가 자연수 및 정수를 특정할 수 있는 정도의 표현력을 지니는 유리수 이론이라고 하면,

  • TQϕT_\mathbb{Q} \vdash \phi
  • TQ⊬ϕNT_\mathbb{Q} \not\vdash \phi^\mathbb{N}
  • TQϕZT_\mathbb{Q} \vdash \phi^{\mathbb{Z}}

이다. 따라서 ϕ\phi는 자연수와 유리수를 성공적으로 구분해 내지만, 정수와 유리수는 구분해 내지 못한다. 이 관찰을 일반화하면, 이론 TT와 집합 AA에 대해 TϕϕAT \vdash \phi \leftrightarrow \phi^Aϕ\phi가 많으면 많을수록 AATT의 기술에 잘 “부합한다“고 말할 수 있다.

위 논의를 조금 일반화하여, 다음과 같이 정의한다.

정의. 이론 TT와 집합 AA에 대해서

Tx1,,xnA(ϕ(x1,,xn)ϕA(x1,,xn))T \vdash \forall x_1, \dots, x_n \in A (\phi(x_1, \dots, x_n) \leftrightarrow \phi^A(x_1, \dots, x_n))

일 때, ϕ\phiAA에 대해 절대적(absolute)이라고 한다.

일례로 TQT_\mathbb{Q}에 대해 ϕ(x):y(y<x)\phi(x) : \exists y (y < x)는 정수에 대해 절대적이지만 자연수에 대해 절대적이지는 않다.

2.2. LL-상대화

이제 우리의 목표는 LLZF\mathsf{ZF}와 극대적으로 부합함을 보이는 것이다. 즉,

정리 1. ϕ\phi가 ZF의 공리라면 ZFϕL\mathsf{ZF} \vdash \phi^L이다.

정리 1의 의미를 말로 풀어 보자면,

LL의 내부에서 보았을 때 LL은 ZF의 모델이다”를 ZF로 증명할 수 있다.

물론 우리는 LVL \subset V만 알고 V=LV = L인지는 알지 못하기 때문에, 어떤 집합 xxLL에 속하지 않을 수도 있다. 그러나 설령 xVLx \in V \setminus L인 집합 xx가 있더라도, 그러한 xx의 결여는 LL내적 정합성을 깨뜨리지 않는다는 것이 정리 1의 내용이다.

예를 들어 어떤 집합 y,zy, z에 대해 x={y,z}x = \{ y, z \}LL에 결여되어 있다고 하자. 일면 xx의 결여는 LL이 짝 공리 Pair\mathsf{Pair}을 만족하지 않음을 시사하는 듯하다.

Pairy,z  x  w:wx(w=yw=z)\mathsf{Pair} \coloneqq \forall y, z \; \exists x \; \forall w: w \in x \leftrightarrow (w = y \lor w = z)

하지만 LL의 내부에서 본 짝 공리는 다음과 같다.

PairLy,zL  xL  wL:wx(w=yw=z)\mathsf{Pair}^L \coloneqq \forall y, z \in L \; \exists x \in L \; \forall w \in L: w \in x \leftrightarrow (w = y \lor w = z)

y,z\forall y, z의 양화 또한 LL로 한정됨에 주목하라. 즉, x={y,z}x = \{ y, z \}의 결여가 LL에게 문제를 일으키는 경우는 y,zLy, z \in L일 때이다. 거꾸로 말해, x={y,z}Lx = \{ y, z \} \notin Ly,zLy, z \notin L을 시사한다면 LLPairL\mathsf{Pair}^L을 만족한다. 이것이 “LL이 내적 정합성을 유지하는 방식으로 집합을 결여한다”의 의미이다.

정리 1이 성립하는 핵심 이유는 LLVV추이성이라는 성질을 공유하기 때문이다.

보조정리. 다음 술어는 ZF에서 LL에 대해 절대적이다.

  1. xyx \in y
  2. xyx \subset y
  3. x=yx = \bigcup y
  4. x={y,z}x = \{ y, z \}
  5. αOrd\alpha \in \mathrm{Ord}
  6. xx는 추이적이다.
  7. Δ0\Delta_0 논리식

또한 다음을 증명할 수 있다.

정리 2. ZF(V=L)L\mathsf{ZF} \vdash (V = L)^L

여기서 V=LV = L은, “모든 집합이 LL에 속한다”를 의미한다. 따라서 일면 보기에 (V=L)L(V = L)^L은 “LL에 속하는 모든 집합이 LL에 속한다”라는 자명한 명제인 듯하다. 하지만 실제로 V=LV = L을 논리식으로 적으면

x  α:αOrdxLα\forall x \; \exists \alpha : \alpha \in \mathrm{Ord} \land x \in L_\alpha

이므로 (V=L)L(V = L)^L

xL  αL:(αOrd)L(xLα)L\forall x \in L \; \exists \alpha \in L : (\alpha \in \mathrm{Ord})^L \land (x \in L_\alpha)^L

이다. 특히, αOrd\alpha \in \mathrm{Ord}xLαx \in L_\alpha가 진정한 의미에서의 \in-술어가 아닌 1차 논리식의 형식적 표현이기 때문에 마찬가지로 LL로 상대화해야 함에 유의하라. 이에 따라 (V=L)L(V = L)^L을 ZF에서 증명하기 위해서는 αOrd\alpha \in \mathsf{Ord}xLαx \in L_\alpha가 절대적임을 증명해야 한다. 두 증명 모두 초한귀납법을 사용하면 가능하다.

정리 1과 정리 2로부터 다음을 증명할 수 있다.

정리 3. ZFLϕ    ZFϕL\mathsf{ZFL} \vdash \phi \implies \mathsf{ZF} \vdash \phi^L

증명. ZFLϕ\mathsf{ZFL} \vdash \phi의 증명 길이에 대한 귀납법으로 증명한다. 증명 길이가 0일 때 ϕ\phi는 ZFL의 공리이다. ϕ\phi가 ZF의 공리일 때 정리 1로부터 증명되고, ϕ\phiV=LV = L일 때 정리 2로부터 증명된다.

이제 ϕ\phi{ψ1,,ψn}\{ \psi_1, \dots, \psi_n \}에 추론 규칙을 적용하는 것으로 증명된다고 가정하자. ψk\psi_k의 증명 길이는 ϕ\phi보다 작으므로 귀납 가정에 의해 ZFψkL\mathsf{ZF} \vdash \psi_k^L이며, 논리 공리와 추론 규칙은 LL에 대해 절대적임을 쉽게 보일 수 있다. 따라서 (ψ1ψn)ϕ(\psi_1 \land \dots \land \psi_n) \rightarrow \phi가 논리적 참이라면 (ψ1LψnL)ϕL(\psi_1^L \land \dots \land \psi_n^L) → \phi^L 또한 논리적 참이며, 이에 따라 ZFϕL\mathsf{ZF} \vdash \phi^L이다. ■

정리 3의 따름정리로서 정리 4를 얻는다.

정리 4. ZF가 무모순적이라면 ZFL 또한 무모순적이다.

증명. ZFL이 모순적이라면 ZFL\mathsf{ZFL} \vdash \varnothing \neq \varnothing이며, 정리 3에 의해 ZF()L    ZF\mathsf{ZF} \vdash (\varnothing \neq \varnothing)^L \iff \mathsf{ZF} \vdash \varnothing \neq \varnothing이다.

따라서 V = L은 ZF와 일관적이다.

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