유리수와 실수의 집합론적 정의

디멘·2024년 11월 20일

집합론

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1. 칸토어의 동형성 정리

칸토어의 동형성 정리. 가산이고 양끝점이 없으며 조밀한 전순서 집합은 순서 동형에 대해 유일하다.

증명 1. (Back-and-Forth Argument)

nn번째 단계에서 arg minkakAdomfn\argmin_{k} a_k \in A \setminus \mathrm{dom} f_n을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 bBimfnb \in B \setminus \mathrm{im} f_n과 대응시키고, arg minlblB(imfn{b})\argmin_{l}b_l \in B \setminus (\mathrm{im} f_n \cup \{ b \})을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 aA(domfn{ak})a \in A \setminus (\mathrm{dom}f_n \cup \{a_k\})와 대응시킨다.

증명 2. (Only-Forth Argument)

nn번째 단계에서 arg minkakAdomfn\argmin_k a_k \in A \setminus \mathrm{dom} f_n을 순서 동형성을 만족하게끔 bBimfnb \in B \setminus \mathrm{im}f_n 중에서 가장 인덱스가 작은 blb_l과 대응시킨다.

잘못된 증명. (Incorrect Only-Forth Argument)

nn번째 단계에서 arg minkakAdomfn\argmin_k a_k \in A \setminus \mathrm{dom} f_n을 순서 동형성을 만족하게끔 임의의 bBimfnb \in B \setminus \mathrm{im}f_n와 대응시킨다.

잘못된 이유: im[fn]\mathrm{im} \left[ \bigcup f_n \right]BB 전체를 소진한다는 보장이 없다. 일례로 모든 경우 선택된 bb의 인덱스가 짝수인 경우가 가능하다.

2. 데데킨트 절단

정의. 전순서 집합 (P,<)(P, <)에 대하여 PP의 부분집합 A,BA, B가 다음을 만족할 때 (A,B)(A, B)절단이라고 한다.

  1. AB=PA \sqcup B = P
  2. 임의의 aA,bBa \in A, b \in B에 대해 a<ba < b이다.

추가로 다음을 만족할 때 데데킨트 절단이라고 한다.

  1. AA는 최대 원소를 가지지 않는다.

추가로 다음까지 만족할 때 이라고 한다.

  1. BB는 최소 원소를 가지지 않는다.

Remark 1. PP가 완비이다 ⇔ PP는 틈을 가지지 않는다.
Remark 2. P=QP = \mathbb{Q}일 때 틈은 무리수 집합을, 데데킨트 절단은 실수 집합을 나타낸다.

3. 완비화 정리

완비화 정리. (P,<)(P, <)가 양끝점이 없는 조밀한 전순서라면 다음을 만족하는 완비 전순서 (C,)(C, \prec)가 순서 동형에 대해 유일하게 존재한다.

  1. PCP \subseteq C
  2. \precPP에서 <<와 일치한다.
  3. PPCC에서 조밀하다. 즉, c1<c2Cc_1 < c_2 \in C에 대해 c1<p<c2c_1 < p < c_2를 만족하는 pPp \in P가 언제나 존재한다.
  4. CC는 양끝점이 없다.

유일성 증명.
(C,)(C, \prec)(C,)(C^*, \prec^*)가 조건을 만족하는 완비 전순서라고 하자. 다음과 같이 정의된 ϕ:CC\phi: C → C^*는 순서 동형 사상이다.

  1. cPc \in P라면 ϕ(c)=c\phi(c)=c
  2. cPc \notin P라면 ϕ(c)=sup{pP:pc}\phi(c) = \sup^* \{ p \in P : p \prec c \}

존재성 증명.
다음과 같이 정의한다.

G={(A,B):(A,B) is a gap of P}D={(A,B):(A,B) is a Dedekind cut of P}P=DG\mathcal{G} = \{ (A, B) : (A, B) \text{ is a gap of } P \} \\ \mathcal{D} = \{ (A, B) : (A, B) \text{ is a Dedekind cut of } P \} \\ \mathcal{P} = \mathcal{D} \setminus \mathcal{G}

라고 하자. 다음과 같이 D\mathcal{D}에 순서를 준다.

(A1,B1)(A2,B2)    A1A2(A_1, B_1) \prec (A_2, B_2) \iff A_1 \subset A_2

(A,B)P(A, B) \in \mathcal{P}라면 어떤 pp에 대해 B={xP:xp}B = \{ x \in P : x \geq p \}이며, 이때 (A,B)=[p](A, B) = [p]라고 적자. 즉,

P={[p]:pP}\mathcal{P} = \{ [p] : p \in P \}

(P,)(P,<)(\mathcal{P}, \prec) \sim (P, <)임을 쉽게 확인할 수 있다. 이제 다음을 보인다.

Claim. D\mathcal{D}P\mathcal{P}에 대해 완비화 정리의 4가지 조건을 모두 만족하는 확장이다.

1, 2, 4는 자명하다. 3을 보인다.

d1=(A1,B1),d2=(A2,B2)D\mathfrak{d}_1 = (A_1, B_1), \mathfrak{d}_2 = (A_2, B_2) \in \mathcal{D}에 대해 d1d2\mathfrak{d_1} \prec \mathfrak{d}_2, 즉 A1A2A_1 \subset A_2라고 하자. pA2A1p \in A_2 \setminus A_1이며 ppBB의 최소 원소가 아닌 pPp \in P가 존재한다. 그러한 pp에 대해 d1[p]d2\mathfrak{d}_1 \prec [p] \prec \mathfrak{d}_2이다. □

마지막으로 다음을 보인다.

Claim. (D,)(\mathcal{D}, \prec)는 완비이다.

S\mathcal{S}가 위로 유계인 D\mathcal{D}의 공집합이 아닌 부분집합이라고 하자. 다음과 같이 정의한다.

AS={A:(A,B)S}BS={B:(A,B)S}A_\mathcal{S} = \bigcup \{ A : (A, B) \in \mathcal{S} \}\\ B_\mathcal{S} = \bigcap \{ B : (A, B) \in \mathcal{S} \}

(AS,BS)D(A_\mathcal{S}, B_\mathcal{S}) \in \mathcal{D}이며, S\mathcal{S}의 최소 상계임을 확인할 수 있다. ◾

집합론적 실수의 정의. 다음을 만족하는 집합 (R,<)(R, <)은 순서 동형에 대해 유일하다.

  1. 완비 전순서 집합이다.
  2. 양끝점이 없다.
  3. 분리 가능하다(separable). 즉, QRQ \subset R이 존재하여 QQ는 가산집합이고 RR에서 조밀하다.

증명. 칸토어의 동형성 정리와 완비화 정리로부터 따라 나온다.

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