칸토어-슈뢰더-베른슈타인 정리

디멘·2024년 11월 20일

집합론

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정리. 두 집합 A,BA, B에 대해 AB|A| \leq |B|, AB|A| \geq |B|라면 A=B|A| = |B|이다.

매우 당연해 보이지만 \leq가 단사함수의 존재성으로, ==가 전단사함수의 존재성으로 정의된다는 점에서 트리키한 함수 핸들링을 요구한다.

여담으로 “칸토어-베른슈타인 정리(위키피디아)” 또는 “슈뢰더-베른슈타인 정리(나무위키)”라고도 부르는데 “칸토어-슈뢰더 정리”라고 부르는 경우는 못 봤다. 홍대병에 취해 있다면 “칸토어-슈뢰더 정리”라고 불러보자.

첫 번째 증명

실선이 f:ABf: A → B, 점선이 g:BAg: B → A이다. 조건에 의해 f,gf, g는 단사이다. C:=ImfC := \mathrm{Im} fBB와 같다면 증명이 끝나므로, CBC \subsetneq B라고 하자.

임의의 yBCy \in B \setminus C에 대해,

  • x1y=g(y)x_1^y = g(y)
  • xn+1y=g(f(xn))x_{n+1}^y = g(f(x_n))
  • hy(x1y)=yh_y(x_1^y) = y
  • hy(xn+1y)=f(xn)h_y(x_{n+1}^y) = f(x_n)

로 정의한다(보라색). 다음이 성립함을 확인하라.

xny=xmz    y=z,n=mx^y_n = x^z_m \iff y = z, n = m

따라서 다음의 함수 h:XYh: X → Y는 well-defined이다.

h(x)={hy(x)x=xny for some y,nf(x)otherwiseh(x) = \begin{cases} h_y(x) &x = x^y_n \text{ for some } y, n \\\\ f(x) &\text{otherwise} \end{cases}

hh가 전단사임을 확인하라. ◾

두 번째 증명

보조정리. A1BAA_1 \subset B \subset A에 대해 A1BA|A_1| \leq |B| \leq |A|이고 A1=A|A_1| = |A|라면 A1=B=A|A_1| = |B| = |A|이다.

증명. f:AA1f: A → A_1가 전사라고 하자. 다음과 같이 {An},{Bn},{Cn}\{A_n\}, \{B_n\}, \{C_n\}을 정의한다.

A0=A,  An+1=f[An]B0=B,  Bn+1=f[Bn]Cn=AnBnA_0 = A, \; A_{n+1} = f[A_n] \\ B_0 = B, \; B_{n+1} = f[B_n] \\ C_n = A_n \setminus B_n

C=Cn,D=ACC = \bigcup C_n, D = A \setminus C라고 하자. f[C]C,f[D]Df[C] \subset C, f[D] \subset D임을 확인하라. 따라서 다음의 g:ABg: A → B는 전사이다.

g(x)={f(x)xCxxDg(x) = \begin{cases} f(x) & x \in C\\ x & x \in D \end{cases}

본 정리의 증명. f:AB,g:BAf: A → B, g: B → A가 전사일 때 gf[A]g[B]A|gf[A]| \leq |g[B]| \leq |A|이므로 보조정리에 의해 g[B]=B=A|g[B]| = |B| = |A|이다. ◾

잘 생각해 보면 두 증명은 사실 같다.

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2개의 댓글

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2025년 11월 15일

x1y=g1(y)x^y_1=g^{-1} (y)에서 g1g^{-1}의 정의역은 ImgA\text{Im} \,g\in A인데 yBCy\in B\setminus Cyyg1g^{-1}에 넣을수 있는 이유가 궁금합니다.

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