§3 Classes and Sets (i): The Algebra of Classes · 모임과 집합 (i): 모임의 대수
- “모임”은 무정의 용어이다.
- $\in$으로 표기하는 “소속 관계”는 무정의 용어이다.
- “Class” is an undefined notion.
- “Membership relation” denoted by $\in$ is an undefined notion.
직관적으로, 모임은 어떤 성질을 만족하는 대상들의 모음으로 이해할 수 있다.
Intuitively, a class can be understood as a collection of objects satisfying a certain property.
- 모임 $x$에 대해, $x \in A$인 모임 $A$가 존재하면 $x$를 “집합” 또는 “원소”라고 한다.
- 더 구체적으로, $x \in A$이면 $x$를 $A$의 원소라고 한다.
- $x \in A$라는 표현은 “$x$는 $A$의 원소이다”, 또는 “$x$는 $A$에 속한다”, 또는 간단히 “$x$는 $A$ 안에 있다”라고 읽는다.
- 또한 “$x$는 $A$의 원소가 아니다”를 나타내기 위해 $x \notin A$라고 쓴다. 즉
$$x \notin A \iff \neg(x \in A).$$
- 모임 $X$가 원소가 아니면, 즉 모든 모임 $A$에 대해 $X \notin A$이면 $X$를 “고유모임”이라고 한다.
- For a class $x$, we say that $x$ is a “set” or “element” if there exists a class $A$ such that $x \in A$.
- More specifically, we say that $x$ is an element of $A$ if $x \in A$.
- The expression $x \in A$ is read as “$x$ is an element of $A$”, or “$x$ belongs to $A$”, or simply “$x$ is in $A$.
- Moreover, we write $x \notin A$ for “$x$ is not an element of $A$”, i.e.
$$x \notin A \iff \neg(x \in A).$$
- A class $X$ is called a “proper class” if $X$ is not an element, i.e. $X \notin A$ for all class $A$.
논리적으로는, 모임 $x$를 “집합”이라 부를 필요충분조건을 ‘$x \in A$인 모임 $A$가 존재한다’로 두는 것이 더 정확해 보인다. 그러나 정의를 서술할 때는 관용적으로, $x \in A$인 모임 $A$가 존재하면 모임 $x$를 “집합”이라고 부른다고 간단히 말한다.
Logically, it seems to be more correct that a class $x$ is called a “set” iff (if and only if) there exists a class $A$ such that $x \in A$. However, for definitions, conventionally we simply say that a class $x$ is called a “set” if there exists a class $A$ such that $x \in A$.
- 소문자 $a$, $b$, $c$, $x$, $y$, $z$, $\ldots$은 원소만을 나타내는 데 사용한다. 다시 말해, 소문자 $a$, $b$, $c$, $x$, $y$, $z$, $\ldots$을 사용한다면 그것들은 모두 원소이다.
- 대문자 $A$, $B$, $C$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$은 (일반적인) 모임을 나타낼 수 있다. 다시 말해, 대문자 $A$, $B$, $C$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$은 원소일 수도, 고유모임일 수도 있다.
- Small letters $a$, $b$, $c$, $x$, $y$, $z$, $\ldots$ will be used only to designate elements. In other words, if we use small letters $a$, $b$, $c$, $x$, $y$, $z$, $\ldots$, then they are all elements.
- Capital letters $A$, $B$, $C$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$ may denote a (general) class. In other words, capital letters $A$, $B$, $C$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$ can be either an element or a proper class.
$A$와 $B$를 모임이라 하자. $A$를 원소로 갖는 모든 모임이 $B$도 원소로 가지고, 그 역도 성립할 때 $A = B$라고 정의한다. 기호로는,
다시 말해, 두 모임이 같다는 것은 그것들이 같은 모임들의 원소일 때, 그리고 그럴 때만이다. 또한 $\neg(A = B)$를 나타내기 위해 $A \neq B$라는 표기를 사용한다. 즉
Let $A$ and $B$ classes. We define $A = B$ to mean that every class that has $A$ as an element also has $B$ as an element, and vice-versa. In symbols,
In other words, two classes to be equal if and only if they are members of the same classes. Moreover, we use the notation $A \neq B$ to denote $\neg(A = B)$, i.e.
$A$와 $B$를 고유모임이라 하자. $A = B$임을 증명하라.
정의 3.3에 의해, $A$가 고유모임이므로 모든 모임 $X$에 대해 $A \notin X$이며, $B$가 고유모임이므로 모든 모임 $X$에 대해 $B \notin X$이다. 따라서 임의의 모임 $X$에 대해, 명제 $A \in X$와 명제 $B \in X$는 모두 거짓이다.
정의 2.6의 함의의 진리표에 의해, 전제가 거짓인 함의는 항상 참이다. 그러므로
는 모두 참이다. 따라서 표기법 2.18에 의해,
$X$는 임의의 모임이었으므로, 정의 3.6에 의해
Let $A$ and $B$ be proper classes. Prove that $A = B$.
By Definition 3.3, since $A$ is a proper class, $A \notin X$ for every class $X$, and since $B$ is a proper class, $B \notin X$ for every class $X$. Thus for an arbitrary class $X$, both the sentences $A \in X$ and $B \in X$ are false.
By the truth table for the implication in Definition 2.6, an implication with a false premise is always true. Therefore
are both true. Thus by Notation 2.18,
Since $X$ was an arbitrary class, by Definition 3.6,
- 위 연습문제는 정의 3.6이 고유모임들 사이에는 아무런 구별도 주지 않는다는 것을 알려준다.
- 어떤 고유모임도 원소가 될 수는 없지만 원소를 포함할 수는 있다는 점에 유의하라. 즉 고유모임 $A$에 대해 어떤 원소 $x \in A$가 존재하는 것은 가능하다.
- The above exercise tells us that Definition 3.6 does not give any distinction among proper classes.
- Note that any proper class cannot be an element but it can contain elements i.e. for a proper class $A$, it is possible that there exists an element $x \in A$.
모든 모임 $A$와 $B$에 대해,
For all classes $A$ and $B$,
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 외연공리에 근거하여 $A \neq B$의 의미를 설명하라.
외연공리(공리 3.9)에 의해 모든 모임 $A$와 $B$에 대해
이므로,
표기법 2.18에 의해 $x \in A \iff x \in B$는 $(x \in A \implies x \in B) \wedge (x \in B \implies x \in A)$의 약어이므로, 연습문제 2.21의 드모르간 법칙에 의해,
정의 2.6의 진리표에 의해, 함의 $x \in A \implies x \in B$가 거짓인 것은 $x \in A$가 참이고 $x \in B$가 거짓인 것, 즉 $x \in A \wedge x \notin B$인 것과 필요충분조건이다. 마찬가지로 $x \in B \implies x \in A$가 거짓인 것은 $x \in B \wedge x \notin A$인 것과 필요충분조건이다. 이를 종합하면,
다시 말해, $A \neq B$라는 것은 $A$와 $B$ 중 정확히 하나에만 속하는 원소 $x$가 존재한다는 뜻이다.
Let $A$ and $B$ classes. Explain the meaning of $A \neq B$ on the basis of the axiom of extent.
By the axiom of extent (Axiom 3.9), for all classes $A$ and $B$,
so
By Notation 2.18, $x \in A \iff x \in B$ is the abbreviation for $(x \in A \implies x \in B) \wedge (x \in B \implies x \in A)$, so by De Morgan's law from Exercise 2.21,
By the truth table in Definition 2.6, the implication $x \in A \implies x \in B$ is false if and only if $x \in A$ is true and $x \in B$ is false, i.e. $x \in A \wedge x \notin B$. Similarly, $x \in B \implies x \in A$ is false if and only if $x \in B \wedge x \notin A$. Combining these,
In other words, $A \neq B$ means that there exists an element $x$ that belongs to exactly one of $A$ and $B$.
$A$와 $B$를 모임이라 하자.
- $A$의 모든 원소가 $B$의 원소일 때 $A \subset B$라고 정의한다. 즉
$$A \subset B \quad \text{iff} \quad x \in A \implies x \in B.$$
- $A \subset B$이면, $A$는 $B$의 “부분모임”이라고 한다.
- $A \subset B$이고 $A \neq B$일 때 $A \subsetneq B$라고 정의한다. 이 경우 $A$는 $B$의 “진부분모임”이라고 한다.
- $A$가 $B$의 부분모임이고 $A$가 집합이면, $A$를 $B$의 “부분집합”이라고 부른다. 또한 $A$가 진부분모임이면서 집합이면, $A$를 “진부분집합”이라고 부른다.
- 외연공리에 의해,
$$A \subset B \quad \text{and} \quad B \subset A \iff A = B.$$
Let $A$ and $B$ classes.
- We define $A \subset B$ to mean that every element of $A$ is an element of $B$, i.e.
$$A \subset B \quad \text{iff} \quad x \in A \implies x \in B.$$
- If $A \subset B$, then we say that $A$ is a “subclass” of $B$.
- We define $A \subsetneq B$ to mean that $A \subset B$ and $A \neq B$. In this case, we say that $A$ is a “strict subclass” of $B$.
- If $A$ is a subclass of $B$ and $A$ is a set, then we call $A$ a “subset” of $B$. Moreover, if $A$ is a strict subclass and a set, then $A$ is called a “proper subset”.
- By the axiom of extent,
$$A \subset B \quad \text{and} \quad B \subset A \iff A = B.$$
우리 교재의 표기법과 혼동하지 말라. 교재에서는 $A \subseteq B$와 $A \subset B$를 각각 $A$가 $B$의 부분모임이라는 것과 $A$가 $B$의 진부분모임이라는 것을 나타내는 데 사용한다. 나는 $A \subset B$와 $A \subsetneq B$가 수학에서 더 자주 사용된다고 생각하기 때문에 표기법을 바꾸었다.
Don’t be confused with the notation in our book. In the book, $A \subseteq B$ and $A \subset B$ are used to denote that $A$ is a subclass of $B$ and $A$ is a strict subclass of $B$, respectively. I changed the notation since I believe that $A \subset B$ and $A \subsetneq B$ are used more frequently in mathematics.
$A$, $B$, $C$를 모임이라 하자. 그러면
- $$A = A.$$
- $$A = B \implies B = A.$$
- $$A = B \text{ and } B = C \implies A = C.$$
- $$A \subset B \text{ and } B \subset A \implies A = B.$$
- $$A \subset B \text{ and } B \subset C \implies A \subset C.$$
우리는 외연공리를 사용하여 이 명제들을 증명한다.
- 명백히
$$x \in A \iff x \in A.$$따라서 외연공리에 의해, $A = A$이다.
- $A = B$라고 가정하자. 그러면 외연공리에 의해,
$$x \in A \iff x \in B.$$따라서 $\iff$의 정의와 정리 2.19(4)에 의해,$$x \in B \iff x \in A.$$마지막으로 외연공리에 의해, $B = A$를 얻는다.
- $A = B$이고 $B = C$라고 가정하자. 그러면 다음 네 명제를 얻는다.
$$x \in A \implies x \in B \tag{3.1}$$$$x \in B \implies x \in A \tag{3.2}$$$$x \in B \implies x \in C \tag{3.3}$$$$x \in C \implies x \in B. \tag{3.4}$$(3.1), (3.3), 그리고 정리 2.17에 의해,$$x \in A \implies x \in C. \tag{3.5}$$마찬가지로 (3.4), (3.2), 그리고 정리 2.17에 의해,$$x \in C \implies x \in A. \tag{3.6}$$(3.5)와 (3.6)을 결합하면, 외연공리에 의해,$$A = C.$$(4)와 (5)의 증명은 연습문제로 남긴다.
Let $A$, $B$, and $C$ be classes. Then
- $$A = A.$$
- $$A = B \implies B = A.$$
- $$A = B \text{ and } B = C \implies A = C.$$
- $$A \subset B \text{ and } B \subset A \implies A = B.$$
- $$A \subset B \text{ and } B \subset C \implies A \subset C.$$
We use the axiom of extent to prove these statements.
- Obviously
$$x \in A \iff x \in A.$$Thus by the axiom of extent, $A = A$.
- Suppose that $A = B$. Then by the axiom of extent,
$$x \in A \iff x \in B.$$Thus by the definition of $\iff$ and Theorem 2.19(4),$$x \in B \iff x \in A.$$Finally by the axiom of extent, we have $B = A$.
- Suppose that $A = B$ and $B = C$. Then we have the following four statements:
$$x \in A \implies x \in B \tag{3.1}$$$$x \in B \implies x \in A \tag{3.2}$$$$x \in B \implies x \in C \tag{3.3}$$$$x \in C \implies x \in B. \tag{3.4}$$By (3.1), (3.3), and Theorem 2.17,$$x \in A \implies x \in C. \tag{3.5}$$Similarly, (3.4), (3.2), and Theorem 2.17,$$x \in C \implies x \in A. \tag{3.6}$$Combining (3.5) and (3.6), by the axiom of extent, we have$$A = C.$$We leave the proof of (4) and (5) as exercises.
정리 3.13의 (4)와 (5)를 증명하라.
(4) $A \subset B$이고 $B \subset A$라고 가정하자. $\subset$의 정의(정의 3.11)에 의해,
따라서 표기법 2.18에 의해,
그러므로 외연공리에 의해 $A = B$이다.
(5) $A \subset B$이고 $B \subset C$라고 가정하자. $\subset$의 정의에 의해,
따라서 정리 2.17(추이법칙)에 의해,
그러므로 $\subset$의 정의에 의해 $A \subset C$이다.
Prove (4) and (5) in Theorem 3.13.
(4) Assume that $A \subset B$ and $B \subset A$. By the definition of $\subset$ (Definition 3.11),
Thus by Notation 2.18,
Therefore by the axiom of extent, $A = B$.
(5) Assume that $A \subset B$ and $B \subset C$. By the definition of $\subset$,
Thus by Theorem 2.17 (the transitive law),
Therefore by the definition of $\subset$, $A \subset C$.
외연공리를 사용하지 않고 정리 3.13의 (1)–(3)을 증명하라.
여기서는 외연공리를 사용하지 않고, 오직 정의 3.6(모임의 상등)만을 사용하여 증명한다.
- 예제 2.8(4)에 의해, 모임 $X$를 하나 고정하면 명제
$$A \in X \implies A \in X$$는 항상 참이다. 표기법 2.18에 의해 $A \in X \iff A \in X$는 $(A \in X \implies A \in X) \wedge (A \in X \implies A \in X)$의 약어이며, 이는 참인 명제끼리의 논리곱이므로 참이다. 즉$$A \in X \iff A \in X.$$$X$는 임의의 모임이었으므로, 정의 3.6에 의해 $A = A$이다.
- $A = B$라고 가정하자. 정의 3.6에 의해, 모든 모임 $X$에 대해
$$A \in X \iff B \in X.$$따라서 $\iff$의 정의(표기법 2.18)와 정리 2.19(4)에 의해,$$B \in X \iff A \in X.$$$X$는 임의의 모임이었으므로, 정의 3.6에 의해 $B = A$이다.
- $A = B$이고 $B = C$라고 가정하자. 정의 3.6에 의해, 임의의 모임 $X$에 대해 다음 네 명제를 얻는다.
$$A \in X \implies B \in X, \qquad B \in X \implies A \in X,$$$$B \in X \implies C \in X, \qquad C \in X \implies B \in X.$$첫째와 셋째 함의, 그리고 정리 2.17(추이법칙)에 의해,$$A \in X \implies C \in X.$$마찬가지로 넷째와 둘째 함의, 그리고 정리 2.17에 의해,$$C \in X \implies A \in X.$$두 함의를 결합하면, 표기법 2.18에 의해$$A \in X \iff C \in X.$$$X$는 임의의 모임이었으므로, 정의 3.6에 의해 $A = C$이다.
Prove (1) - (3) in Theorem 3.13 without using the axiom of extent.
Here we prove these statements without using the axiom of extent, using only Definition 3.6 (the equality of classes).
- By Example 2.8(4), for a fixed class $X$, the sentence
$$A \in X \implies A \in X$$is always true. By Notation 2.18, $A \in X \iff A \in X$ is the abbreviation for $(A \in X \implies A \in X) \wedge (A \in X \implies A \in X)$, which is the conjunction of two true sentences and hence true. That is,$$A \in X \iff A \in X.$$Since $X$ was an arbitrary class, by Definition 3.6, $A = A$.
- Assume that $A = B$. By Definition 3.6, for every class $X$,
$$A \in X \iff B \in X.$$Thus by the definition of $\iff$ (Notation 2.18) and Theorem 2.19(4),$$B \in X \iff A \in X.$$Since $X$ was an arbitrary class, by Definition 3.6, $B = A$.
- Assume that $A = B$ and $B = C$. By Definition 3.6, for an arbitrary class $X$ we have the following four statements.
$$A \in X \implies B \in X, \qquad B \in X \implies A \in X,$$$$B \in X \implies C \in X, \qquad C \in X \implies B \in X.$$By the first and third implications and Theorem 2.17 (the transitive law),$$A \in X \implies C \in X.$$Similarly, by the fourth and second implications and Theorem 2.17,$$C \in X \implies A \in X.$$Combining these two implications, by Notation 2.18,$$A \in X \iff C \in X.$$Since $X$ was an arbitrary class, by Definition 3.6, $A = C$.
형식 언어에서 $P(x)$가 $x$에 관한 명제를 나타낸다고 하자. 즉 $P(x)$는 일곱 개의 기호 $\in$, $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$, $\exists$, $\forall$, 괄호, 그리고 변수 $x$, $y$, $z$, $A$, $B$, $\ldots$만으로 완전히 표현될 수 있다. 그러면 $P(x)$를 만족하는 모든 원소 $x$로 이루어진 모임 $C$가 존재한다. 다시 말해, 모임 $\{x : x \text{ is an element and } P(x)\}$가 존재한다.
Let $P(x)$ designate a statement about $x$ in the formal language, i.e. $P(x)$ can be expressed entirely in terms of seven symbols $\in$, $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$, $\exists$, $\forall$, brackets, and variables $x$, $y$, $z$, $A$, $B$, $\ldots$. Then there exists a class $C$ which consists of all the elements $x$ which satisfy $P(x)$. In other words, the class $\{x : x \text{ is an element and } P(x)\}$ exists.
- 표기 $\ni$는 “~를 만족하는”을 의미하며, $\ni$와 $\in$이 서로 대칭이므로 형식 언어에 포함될 것이다.
- 모임 구성 공리는 $P(x)$를 만족하는 모든 원소 $x$의 모임을 구성하는 것만을 허용한다는 점에 유의하라. 따라서 이 공리는 $P(x)$를 만족하는 모든 모임 $x$의 모임의 존재를 보장하지 않는다. 논리적 역설을 피하기 위해서는 원소만을 고려하는 것이 필요하다.
- 소문자 $x$, $y$, $z$, $\ldots$은 오직 원소만을 나타낸다는 것을 기억하라. 따라서 간단히 $\{x : P(x)\}$ 형태의 모임을 고려할 수 있으며, 이는 모임 구성 공리에 의해 존재한다.
- Recall that the notation $\ni$ means “such that” and it will be contained in the formal language since $\ni$ and $\in$ symmetric.
- Note that the axiom of class construction only permits us to form the class of all the elements $x$ which satisfy $P(x)$. Thus, the axiom does not guarantee the existence of the class of all the classes $x$ which satisfy $P(x)$. Considering only elements is necessary to avoid logical paradoxes.
- Recall that small letters $x$, $y$, $z$, $\ldots$ only denote elements. Thus simly we can consider the class of the form of $\{x : P(x)\}$ and it exists by the axiom of class construction.
$P(X)$를 만족하는 모든 모임 $X$의 모임이 일반적으로 존재할 수 없는 이유를 설명하라.
모임 구성 공리(공리 3.16)는 명제 $P(x)$를 만족하는 모든 원소 $x$로 이루어진 모임만을 구성하도록 허용하며, 원소인지 고유모임인지 가리지 않고 $P(X)$를 만족하는 모든 모임 $X$의 모임을 구성하는 것은 보장하지 않는다(주의 3.17(2)).
이 제한이 왜 필요한지는 폰 노이만의 발상(아이디어 1.14)과 모임 공리(공리 1.15)가 러셀의 역설을 피했던 방식을 돌아보면 알 수 있다. 그곳에서는 오직 원소만을 후보로 삼아 $S = \{x : x \text{ is an element and } x \notin x\}$를 구성하였다. 이로부터 $S \in S$이면 $S \notin S$가 되어 모순이므로 $S \notin S$를 얻고, 다시 $S$가 원소라고 가정하면 $S$의 정의에 의해 $S \in S$가 되어 모순이므로 $S$는 원소가 아니라는 결론에 이른다. 즉 $S$는 고유모임이다. 정의 3.3에 의해 고유모임은 어떤 모임의 원소도 될 수 없으므로, $S \notin S$는 그대로 성립하며 더 이상의 모순은 없다 — $S$가 (원소가 아니어서) 애초에 자기 자신의 원소가 될 자격조차 없었기 때문에 역설이 해소된 것이다.
이제 이러한 탈출구가 봉쇄되면 어떻게 되는지 보자. $P(X)$를 만족하는 모든 모임 $X$의 모임 $C$가 (원소인지 고유모임인지 가리지 않고) 일반적으로 존재한다고 가정하고, 특히
를 취하여 $C = \{X : X \notin X\}$라고 하자. $C \in C$인지 $C \notin C$인지를 따져보면 다음을 얻는다.
- $C \in C$라고 가정하면, $C$의 정의에 의해 $C$는 $P(C)$, 즉 $C \notin C$를 만족해야 한다. 이는 가정과 모순이다.
- $C \notin C$라고 가정하면, $C$는 $P(C)$, 즉 $C \notin C$를 만족하는 모임이므로 $C$의 정의에 의해 $C \in C$이어야 한다. 이는 가정과 모순이다.
따라서
인데, 이는 명백한 모순이다(러셀의 역설). 여기서는 $S$의 경우와 달리, $C$가 고유모임이 되더라도(즉 $C \notin C$가 되더라도) 그 사실만으로 모순이 사라지지 않는다는 점에 유의하라. $C$는 정의상 원소인지 고유모임인지에 관계없이 $P(X) = (X \notin X)$를 만족하는 모든 모임을 원소로 포함해야 하므로, $C$를 고유모임이라고 두어도 모순은 그대로 재현된다. 실제로 정의 3.3에 의해 $C \notin C$가 되는데, $C \notin C$는 바로 조건 $P(C)$이므로 $C$의 정의에 의해 $C \in C$가 강제되고, 이는 $C$가 고유모임이라는 것에 모순이다. 따라서 이 모순을 피할 방법이 없다. 이것이 바로 $P(X)$를 만족하는 모든 모임 $X$의 모임이 일반적으로 존재할 수 없는 이유이다.
Explain why the class of all the classes $X$ which satisfy $P(X)$ cannot exists in general.
The axiom of class construction (Axiom 3.16) only permits us to form the class of all elements $x$ which satisfy a statement $P(x)$; it does not guarantee the existence of the class of all classes $X$ — elements and proper classes alike — which satisfy $P(X)$ (Remark 3.17(2)).
To see why this restriction is necessary, recall how Von Neumann's idea (Idea 1.14) and the class axiom (Axiom 1.15) avoided Russell's paradox. There, only elements were admitted as candidates, so $S = \{x : x \text{ is an element and } x \notin x\}$ was formed. If $S \in S$, then by the definition of $S$, $S \notin S$, a contradiction; hence $S \notin S$. If we further assume that $S$ is an element, then by the definition of $S$ and $S \notin S$ we get $S \in S$, again a contradiction; hence $S$ is not an element. That is, $S$ is a proper class. By Definition 3.3, a proper class cannot be an element of any class, so $S \notin S$ simply holds and no further contradiction arises — the paradox is resolved precisely because $S$, not being an element, was never eligible to be a member of anything in the first place.
Now let us see what happens once this escape route is closed. Suppose that the class $C$ of all classes $X$ (elements and proper classes alike) satisfying $P(X)$ exists in general, and take in particular
so that $C = \{X : X \notin X\}$. Asking whether $C \in C$ or $C \notin C$ gives the following.
- If $C \in C$, then by the definition of $C$, $C$ must satisfy $P(C)$, i.e. $C \notin C$, contradicting the assumption.
- If $C \notin C$, then $C$ is a class satisfying $P(C)$, i.e. $C \notin C$, so by the definition of $C$, $C \in C$, again contradicting the assumption.
Therefore
which is an outright contradiction (Russell's paradox). Note that, unlike the case of $S$, here $C$ becoming a proper class (i.e. $C \notin C$) does not by itself dissolve the contradiction. Since $C$, by its definition, must contain every class satisfying $P(X) = (X \notin X)$ regardless of whether that class is an element or a proper class, taking $C$ to be a proper class merely reproduces the contradiction: by Definition 3.3 it gives $C \notin C$, and $C \notin C$ is exactly the condition $P(C)$, so the definition of $C$ forces $C \in C$, contradicting that $C$ is a proper class. Hence there is no way to escape this contradiction. This is exactly why the class of all classes $X$ satisfying $P(X)$ cannot exist in general.
$A$와 $B$를 모임이라 하자. $A$와 $B$의 “교모임”은 $A$와 $B$ 모두에 속하는 모든 원소의 모임으로 정의된다. 기호로는,
여기서 이 등식이 정의임을 강조하기 위해 $=$ 대신 $:=$라는 표기를 사용하였다.
Let $A$ and $B$ be classes. The “intersection” of $A$ and $B$ is defined to be the class of all the elements which belong to both $A$ and $B$. In symbols,
where we used the notation $:=$ instead of $=$ to emphasize that this equality is a definition.
기호 $\wedge$가 “그리고”를 의미한다는 것에 유의하라. 따라서
그러므로 모임 구성 공리에 의해 모임 $A \cap B$가 존재한다.
Note that the symbol $\wedge$ means “and”. Thus
Therefore, the class $A \cap B$ exists by the axiom of class construction.
$A$와 $B$를 모임이라 하자. $A$와 $B$의 “합모임”은 $A$에 속하거나, $B$에 속하거나, $A$와 $B$ 모두에 속하는 모든 원소의 모임으로 정의된다. 기호로는,
Let $A$ and $B$ be classes. The “union” of $A$ and $B$ is defined to be the class of all the elements which belong either to $A$, or $B$, or to both $A$ and $B$. In symbols,
모든 모임 $A$와 $B$에 대해 합모임 $A \cup B$가 존재함을 증명하라.
정의 3.21에 의해,
기호 $\vee$가 “또는”을 의미한다는 것에 유의하라. 따라서
명제 $x \in A \vee x \in B$는 오직 기호 $\in$, $\vee$와 변수 $x$, $A$, $B$만으로 완전히 표현되므로, 이는 모임 구성 공리(공리 3.16)가 요구하는 형식 언어의 명제이다. 그러므로 모임 구성 공리에 의해 모임 $A \cup B$가 존재한다.
Prove that for all classes $A$ and $B$, the union $A \cup B$ exists.
By Definition 3.21,
Note that the symbol $\vee$ means “or”. Thus
The statement $x \in A \vee x \in B$ can be expressed entirely in terms of the symbols $\in$, $\vee$, and the variables $x$, $A$, $B$, so it is a statement in the formal language required by the axiom of class construction (Axiom 3.16). Therefore, the class $A \cup B$ exists by the axiom of class construction.
“보편모임”은 모든 원소의 모임으로 정의되며 $\mathcal{U}$로 표기한다. 정리 3.13(1)에 의해 모든 원소 $x$는 $x = x$를 만족한다. 따라서 수학 기호를 사용하여 다음과 같이 쓸 수 있다.
그러므로 보편모임 $\mathcal{U}$의 존재성은 모임 구성 공리에 의해 보장된다.
The “universal class” is defined to be the class of all elements and it is denoted by $\mathcal{U}$. By Theorem 3.13(1), every element $x$ satisfies $x = x$. Thus by using mathematical symbols, we can write
Therefore the existence of the universal class $\mathcal{U}$ is guaranteed by the axiom of class construction.
“공모임”은 원소를 전혀 갖지 않는 모임으로 정의되며 $\emptyset$으로 표기한다. 정리 3.13(1)에 의해 모든 원소 $x$는 $x = x$를 만족한다. 다시 말해, $x \neq x$를 만족하는 원소 $x$는 존재하지 않는다. 따라서 공모임을 기호로 다음과 같이 쓸 수 있다.
공모임 $\emptyset$의 존재성은 모임 구성 공리에 의해 보장된다.
The “empty class” is defined to be the class which has no elements at all and it is denoted by $\emptyset$. By Theorem 3.13(1), every element $x$ satisfies $x = x$. In other words, there is no element $x$ such that $x \neq x$. Therefore we can write the empty class in symbols as follows:
The existence of the empty class $\emptyset$ is guaranteed by the axiom of class construction
모든 모임 $A$에 대해,
- $$\emptyset \subset A$$
- $$A \subset \mathcal{U}.$$
- $\subset$의 정의에 의해 $x \in \emptyset \implies x \in A$임을 증명하면 충분하다. 우리는 이 명제의 대우, 즉 $x \notin A \implies x \notin \emptyset$을 증명한다. $x \notin A$라고 가정하자. 그러면 $\emptyset$은 원소를 갖지 않으므로 명백히 $x \notin \emptyset$이다.
- $x \in A$라고 가정하자. 그러면 $x$는 원소이다. 따라서 $x \in \mathcal{U}$이다.
For every class $A$,
- $$\emptyset \subset A$$
- $$A \subset \mathcal{U}.$$
- It is sufficient to prove that $x \in \emptyset \implies x \in A$ by the definition of $\subset$. We prove the contrapositive of the statement, i.e. we prove $x \notin A \implies x \notin \emptyset$. Suppose that $x \notin A$. Then obviously $x \notin \emptyset$ since $\emptyset$ has no elements.
- Assume $x \in A$. Then $x$ is an element. Thus $x \in \mathcal{U}$.
두 모임이 공통 원소를 갖지 않으면 그 두 모임은 “서로소”라고 한다. 기호로는,
If two classes have no elements in common, they are said to be “disjoint”. In symbols,
$A$를 모임이라 하자. 모임 $A$의 “여모임”은 $A$에 속하지 않는 모든 원소의 모임이다. 기호로는,
따라서 $x \in A^c$인 것은 $x \notin A$인 것과 필요충분조건이다.
Let $A$ be a class. The “complement” of the class $A$ is the class of all the elements which do not belong to $A$. In symbols,
Thus $x \in A^c$ if and only if $x \notin A$.
모임들 사이의 관계는 “벤 다이어그램”이라고 알려진 유용한 도구를 통해 그림으로 나타낼 수 있다. 예시는 그림 1–4를 참고하라.
벤 다이어그램은 엄밀한 증명을 제공하지 않는다. 그러나 관계에 대한 직관을 제공할 수 있으므로 유용할 수 있다. 예를 들어, 그림 4는 다음을 보여준다.
Relations among classes can be represented graphically by means of a useful device known as the “Venn diagram”. For examples, see figures 1-4.
The Venn diagram does not give rigorous proofs. However, it can be useful since it can give intuitions about relations. For instance, Figure 4 shows us that
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 그러면
- $A \subset A \cup B$
- $B \subset A \cup B$
- $A \cap B \subset A$
- $B \cap B \subset B$.
- (1)을 증명하기 위해서는 $x \in A \implies x \in A \cup B$임을 보이면 된다. 정리 2.13(1)과 $A \cup B$의 정의에 의해,
$$\begin{aligned} x \in A \; & \implies \; x \in A \; \vee \; x \in B \\ & \implies \; x \in A \cup B. \end{aligned}$$
- (2)의 증명은 (1)과 거의 유사하다. 세부 사항은 생략한다.
- $A \cap B$의 정의와 정리 2.13(3)에 의해,
$$\begin{aligned} x \in A \cap B \; & \implies \; x \in A \; \wedge \; x \in B \\ & \implies \; x \in A. \end{aligned}$$
- (3)은 모든 모임 $A$와 $B$에 대해 성립함에 유의하라. 특히 (3)은 모든 모임 $A = B$에 대해서도 성립한다. 따라서 (4)는 (3)으로부터 얻어진다.
Let $A$ and $B$ classes. Then
- $A \subset A \cup B$
- $B \subset A \cup B$
- $A \cap B \subset A$
- $B \cap B \subset B$.
- To prove (1), we must show that $x \in A \implies x \in A \cup B$. By Theorem 2.13(1) and the definition of $A \cup B$,
$$\begin{aligned} x \in A \; & \implies \; x \in A \; \vee \; x \in B \\ & \implies \; x \in A \cup B. \end{aligned}$$
- The proof of (2) is almost analogous to (1). We skip the detail.
- By the definition of $A \cap B$ and Theorem 2.13(3),
$$\begin{aligned} x \in A \cap B \; & \implies \; x \in A \; \wedge \; x \in B \\ & \implies \; x \in A. \end{aligned}$$
- Note that (3) holds for all classes $A$ and $B$. In particular, (3) holds for all classes $A = B$. Therefore (4) comes from (3).
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 그러면
- $A \subset B$인 것과 $A \cup B = B$인 것은 필요충분조건이다
- $A \subset B$인 것과 $A \cap B = A$인 것은 필요충분조건이다.
- 먼저 (⇒) 방향을 증명한다. $A \subset B$, 즉
$$x \in A \implies x \in B. \tag{3.7}$$라고 가정하자. 그러면 합모임의 정의, (3.7), 정리 2.14(1), 그리고 정리 2.19(1)에 의해,$$\begin{aligned} x \in A \cup B \; & \implies \; x \in A \quad \text{or} \quad x \in B \\ & \implies \; x \in B \quad \text{or} \quad x \in B \\ & \implies \; x \in B. \end{aligned}$$따라서 $A \cup B \subset B$이다. 한편, 정리 3.28(2)에 의해 $B \subset A \cup B$이다. 그러므로 $A \cup B = B$이다. 다음으로 (⇐) 방향을 증명한다. $A \cup B = B$라고 가정하자. 그러면 3.28(1)에 의해,$$A \subset A \cup B = B.$$
- (2)의 증명은 연습문제로 남긴다.
Let $A$ and $B$ classes. Then
- $A \subset B$ if and only if $A \cup B = B$
- $A \subset B$ if and only if $A \cap B = A$.
- First we prove the only if part. Assume $A \subset B$, i.e.
$$x \in A \implies x \in B. \tag{3.7}$$Then by the definition of the union, (3.7), Theorem 2.14(1), and Theorem 2.19(1),$$\begin{aligned} x \in A \cup B \; & \implies \; x \in A \quad \text{or} \quad x \in B \\ & \implies \; x \in B \quad \text{or} \quad x \in B \\ & \implies \; x \in B. \end{aligned}$$Thus $A \cup B \subset B$. Moreover, $B \subset A \cup B$ by Theorem 3.28(2). Therefore, $A \cup B = B$. Next we prove the if part. Assume that $A \cup B = B$. Then by 3.28(1),$$A \subset A \cup B = B.$$
- We leave the proof of (2) as an exercise.
정리 3.29(2)를 증명하라.
역주. 정리 3.28(4)는 원문에 $B \cap B \subset B$로 인쇄되어 있고, 원문의 증명도 (3)에서 $A = B$로 두어 그 형태를 그대로 유도한다. 그러나 (1)–(3)과의 대칭으로 보아 의도된 진술은 $A \cap B \subset B$이다. 아래에서는 이 사실을 원문의 (3) 증명과 같은 방식으로 직접 유도한 뒤 사용한다.
먼저 (⇒) 방향을 증명한다. $A \subset B$라고 가정하자. 정리 3.28(3)에 의해,
한편 $x \in A$라고 가정하면, 가정 $A \subset B$에 의해 $x \in B$이기도 하다. 따라서 $x \in A$이고 $x \in B$이므로 $x \in A \wedge x \in B$이다. 즉
이므로, 교모임의 정의(정의 3.19)와 $\subset$의 정의(정의 3.11)에 의해 $A \subset A \cap B$이다. 이 두 포함관계를 결합하면, 정리 3.13(4)에 의해,
다음으로 (⇐) 방향을 증명한다. 먼저 $A \cap B \subset B$임을 확인한다. 교모임의 정의와 정리 2.13(4)에 의해,
이므로, $\subset$의 정의에 의해 $A \cap B \subset B$이다(위 역주의 정리 3.28(4)). 이제 $A = A \cap B$라고 가정하면,
Prove Theorem 3.29(2).
Note. Theorem 3.28(4) is printed as $B \cap B \subset B$ in the source, and the proof there derives exactly that form from (3) by taking $A = B$. By symmetry with (1)–(3), however, the intended statement is $A \cap B \subset B$. Below we first derive that fact directly, in the same way the source proves (3), and then use it.
First we prove the only if part. Assume $A \subset B$. By Theorem 3.28(3),
On the other hand, if $x \in A$, then by the assumption $A \subset B$ we also have $x \in B$. Thus $x \in A$ and $x \in B$, so $x \in A \wedge x \in B$. That is,
so by the definition of the intersection (Definition 3.19) and the definition of $\subset$ (Definition 3.11), $A \subset A \cap B$. Combining these two inclusions, by Theorem 3.13(4),
Next we prove the if part. First we check that $A \cap B \subset B$. By the definition of the intersection and Theorem 2.13(4),
so by the definition of $\subset$, $A \cap B \subset B$ (this is Theorem 3.28(4) as read in the note above). Now assume that $A = A \cap B$. Then
$A$, $B$, $C$를 모임이라 하자. $A \subset B$라고 가정하자. 그러면
- $$A \cup C \subset B \cup C$$
- $$C \cup A \subset C \cup B$$
- $$A \cap C \subset B \cap C$$
- $$C \cap A \subset C \cap B.$$
증명의 유사성 때문에 우리는 (1)만을 증명한다. $A \subset B$라는 가정에 의해,
따라서 합모임의 정의, (3.8), 정리 2.14(1), 그리고 정리 2.19(3)에 의해,
Let $A$, $B$, and $C$ be classes. Assume that $A \subset B$. Then
- $$A \cup C \subset B \cup C$$
- $$C \cup A \subset C \cup B$$
- $$A \cap C \subset B \cap C$$
- $$C \cap A \subset C \cap B.$$
Because of similarity of the proof, we only prove (1). By the assumption that $A \subset B$,
Thus by the definition of the union, (3.8), Theorem 2.14(1), and Theorem 2.19(3),
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 그러면
- $$A \cup (A \cap B) = A$$
- $$A \cap (A \cup B) = A.$$
- 정리 3.28(2)에 의해,
$$A \subset A \cup (A \cap B) \tag{3.9}$$한편, 정리 3.28(3)에 의해,$$A \cap B \subset A.$$따라서 보조정리 3.31(2), 합모임의 정의, 그리고 정리 2.19(1)에 의해,$$A \cup (A \cap B) \subset A \cup A = A. \tag{3.10}$$(3.9)와 (3.10)을 결합하면,$$A \cup (A \cap B) = A.$$
- 정리 3.28(3)에 의해,
$$A \cap (A \cup B) \subset A \tag{3.11}$$한편, 정리 3.28(1)에 의해,$$A \subset A \cup B$$게다가, 교모임의 정의, 정리 2.19(2), 그리고 보조정리 3.31(4)에 의해,$$A = A \cap A \subset A \cap (A \cup B). \tag{3.12}$$(3.11)과 (3.12)를 결합하면,$$A \cap (A \cup B) = A.$$
Let $A$ and $B$ classes. Then
- $$A \cup (A \cap B) = A$$
- $$A \cap (A \cup B) = A.$$
- By Theorem 3.28(2),
$$A \subset A \cup (A \cap B) \tag{3.9}$$On the other hand, by Theorem 3.28(3),$$A \cap B \subset A.$$Thus by Lemma 3.31(2), the definition of the union, and Theorem 2.19(1),$$A \cup (A \cap B) \subset A \cup A = A. \tag{3.10}$$Combining (3.9) and (3.10), we have$$A \cup (A \cap B) = A.$$
- By Theorem 3.28(3),
$$A \cap (A \cup B) \subset A \tag{3.11}$$On the other hand, by Theorem 3.28(1),$$A \subset A \cup B$$Moreover, by the definition of the intersection, Theorem 2.19(2), and Lemma 3.31(4),$$A = A \cap A \subset A \cap (A \cup B). \tag{3.12}$$Combining (3.11) and (3.12), we have$$A \cap (A \cup B) = A.$$
모든 모임 $A$에 대해,
외연공리, 여모임과 $\notin$의 정의, 그리고 연습문제 2.20에 의해,
For every class $A$,
By the axiom of extent, the definition of the complement and $\notin$, and Exercise 2.20,
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 그러면
- $$(A \cup B)^c = A^c \cap B^c$$
- $$(A \cap B)^c = A^c \cup B^c.$$
- 외연공리, 여모임·합모임·교모임의 정의, 그리고 연습문제 2.21에 의해,
$$\begin{aligned} x \in (A \cup B)^c \iff x \notin A \cup B \iff \neg(x \in A \cup B) \; & \iff \; \neg(x \in A \; \vee \; x \in B) \\ & \iff \; \neg(x \in A) \; \wedge \; \neg(x \in B) \\ & \iff \; x \notin A \; \wedge \; x \notin B \\ & \iff \; x \in A^c \; \wedge \; x \in B^c \\ & \iff \; x \in A^c \cap B^c. \end{aligned}$$
- (2)의 증명은 연습문제로 남긴다.
Let $A$ and $B$ classes. Then
- $$(A \cup B)^c = A^c \cap B^c$$
- $$(A \cap B)^c = A^c \cup B^c.$$
- By the axiom of extent, the definitions of the complement, the union, and the intersection, Exercise 2.21,
$$\begin{aligned} x \in (A \cup B)^c \iff x \notin A \cup B \iff \neg(x \in A \cup B) \; & \iff \; \neg(x \in A \; \vee \; x \in B) \\ & \iff \; \neg(x \in A) \; \wedge \; \neg(x \in B) \\ & \iff \; x \notin A \; \wedge \; x \notin B \\ & \iff \; x \in A^c \; \wedge \; x \in B^c \\ & \iff \; x \in A^c \cap B^c. \end{aligned}$$
- The proof of (2) is left as an exercise.
정리 3.34의 (2)를 증명하라.
외연공리, 여모임·교모임·합모임의 정의, 그리고 연습문제 2.21에 의해,
Prove (2) in Theorem 3.34.
By the axiom of extent, the definitions of the complement, the intersection, and the union, and Exercise 2.21,
$A$, $B$, $C$를 모임이라 하자. 그러면
- (교환법칙)$$A \cup B = B \cup A$$
- (교환법칙)$$A \cap B = B \cap A$$
- (멱등법칙)$$A \cup A = A$$
- (멱등법칙)$$A \cap A = A$$
- (결합법칙)$$A \cup (B \cup C) = (A \cup B) \cup C$$
- (결합법칙)$$A \cap (B \cap C) = (A \cap B) \cap C$$
- (분배법칙)$$A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)$$
- (분배법칙)$$A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)$$
- 합모임의 정의와 정리 2.19(3)에 의해,
$$\begin{aligned} x \in A \cup B \; & \iff \; x \in A \; \vee \; x \in B \\ & \iff \; x \in B \; \vee \; x \in A \\ & \iff \; x \in B \cup A. \end{aligned}$$
- (2)의 증명은 연습문제로 남긴다.
- (3)의 증명은 연습문제로 남긴다.
- (4)의 증명은 연습문제로 남긴다.
- 합모임의 정의와 정리 2.19(5)에 의해,
$$\begin{aligned} x \in A \cup (B \cup C) \; & \iff \; x \in A \; \vee \; x \in B \cup C \\ & \iff \; x \in A \; \vee \; (x \in B \; \vee \; x \in C) \\ & \iff \; (x \in A \; \vee \; x \in B) \; \vee \; x \in C \\ & \iff \; (x \in A \cup B) \; \vee \; x \in C \\ & \iff \; x \in (A \cup B) \cup C. \end{aligned}$$
- (6)의 증명은 연습문제로 남긴다.
- 교모임의 정의, 합모임의 정의, 그리고 정리 2.19(7)에 의해,
$$\begin{aligned} x \in A \cap (B \cup C) \; & \iff \; x \in A \; \wedge \; x \in (B \cup C) \\ & \iff \; x \in A \; \wedge \; (x \in B \; \vee \; x \in C) \\ & \iff \; (x \in A \; \wedge \; x \in B) \; \vee \; (x \in A \; \wedge \; x \in C) \\ & \iff \; x \in A \cap B \; \vee \; x \in A \cap C \\ & \iff \; x \in (A \cap B) \cup (A \cap C). \end{aligned}$$
- (8)의 증명은 연습문제로 남긴다.
Let $A$, $B$, and $C$ be classes. Then
- (Commutative law)$$A \cup B = B \cup A$$
- (Commutative law)$$A \cap B = B \cap A$$
- (Idempotent law)$$A \cup A = A$$
- (Idempotent law)$$A \cap A = A$$
- (Associative law)$$A \cup (B \cup C) = (A \cup B) \cup C$$
- (Associative law)$$A \cap (B \cap C) = (A \cap B) \cap C$$
- (Distributive law)$$A \cap (B \cup C) = (A \cap B) \cup (A \cap C)$$
- (Distributive law)$$A \cup (B \cap C) = (A \cup B) \cap (A \cup C)$$
- By the definition of the union and Theorem 2.19(3),
$$\begin{aligned} x \in A \cup B \; & \iff \; x \in A \; \vee \; x \in B \\ & \iff \; x \in B \; \vee \; x \in A \\ & \iff \; x \in B \cup A. \end{aligned}$$
- The proof of (2) is left as an exercise.
- The proof of (3) is left as an exercise.
- The proof of (4) is left as an exercise.
- By the definition of the union and Theorem 2.19(5),
$$\begin{aligned} x \in A \cup (B \cup C) \; & \iff \; x \in A \; \vee \; x \in B \cup C \\ & \iff \; x \in A \; \vee \; (x \in B \; \vee \; x \in C) \\ & \iff \; (x \in A \; \vee \; x \in B) \; \vee \; x \in C \\ & \iff \; (x \in A \cup B) \; \vee \; x \in C \\ & \iff \; x \in (A \cup B) \cup C. \end{aligned}$$
- The proof of (6) is left as an exercise.
- By the definition of the intersection, and the definition of the union, and Theorem 2.19(7),
$$\begin{aligned} x \in A \cap (B \cup C) \; & \iff \; x \in A \; \wedge \; x \in (B \cup C) \\ & \iff \; x \in A \; \wedge \; (x \in B \; \vee \; x \in C) \\ & \iff \; (x \in A \; \wedge \; x \in B) \; \vee \; (x \in A \; \wedge \; x \in C) \\ & \iff \; x \in A \cap B \; \vee \; x \in A \cap C \\ & \iff \; x \in (A \cap B) \cup (A \cap C). \end{aligned}$$
- The proof of (8) is left as an exercise.
정리 3.36의 (2), (3), (4), (6), (8)을 증명하라.
(2) 교모임의 정의와 정리 2.19(4)에 의해,
(3) 합모임의 정의와 정리 2.19(1)에 의해,
(4) 교모임의 정의와 정리 2.19(2)에 의해,
(6) 교모임의 정의와 정리 2.19(6)에 의해,
(8) 합모임의 정의, 교모임의 정의, 그리고 정리 2.19(8)에 의해,
Prove (2), (3), (4), (6), and (8) in Theorem 3.36.
(2) By the definition of the intersection and Theorem 2.19(4),
(3) By the definition of the union and Theorem 2.19(1),
(4) By the definition of the intersection and Theorem 2.19(2),
(6) By the definition of the intersection and Theorem 2.19(6),
(8) By the definition of the union, the definition of the intersection, and Theorem 2.19(8),
모든 모임 $A$에 대해,
- $$A \cup \emptyset = A$$
- $$A \cap \emptyset = \emptyset$$
- $$A \cup \mathcal{U} = \mathcal{U}$$
- $$A \cap \mathcal{U} = A$$
- $$\mathcal{U}^c = \emptyset$$
- $$\emptyset^c = \mathcal{U}$$
- $$A \cup A^c = \mathcal{U}$$
- $$A \cap A^c = \emptyset.$$
- 정리 3.25(1)을 상기하면,
$$\emptyset \subset A.$$따라서 정리 3.29(1)에 의해,$$\emptyset \cup A = A.$$마지막으로 교환법칙에 의해,$$A \cup \emptyset = A.$$
- 정리 3.25(1), 정리 3.29(2), 그리고 교환법칙에 의해,
$$A \cap \emptyset = \emptyset.$$
- 정리 3.25(2)에 의해,
$$A \subset \mathcal{U}.$$따라서 정리 3.29(1)에 의해,$$A \cup \mathcal{U} = \mathcal{U}.$$
나머지 부분의 증명은 연습문제로 남긴다.
For every class $A$,
- $$A \cup \emptyset = A$$
- $$A \cap \emptyset = \emptyset$$
- $$A \cup \mathcal{U} = \mathcal{U}$$
- $$A \cap \mathcal{U} = A$$
- $$\mathcal{U}^c = \emptyset$$
- $$\emptyset^c = \mathcal{U}$$
- $$A \cup A^c = \mathcal{U}$$
- $$A \cap A^c = \emptyset.$$
- Recalling Theorem 3.25(1), we have
$$\emptyset \subset A.$$Thus by Theorem 3.29(1),$$\emptyset \cup A = A.$$Finally, by the commutative law, we have$$A \cup \emptyset = A.$$
- By Theorem 3.25(1), Theorem 3.29(2), and the commutative law, we have
$$A \cap \emptyset = \emptyset.$$
- By Theorem 3.25(2),
$$A \subset \mathcal{U}.$$Therefore by Theorem 3.29(1),$$A \cup \mathcal{U} = \mathcal{U}.$$
The proofs of the remaining parts are left as exercises.
정리 3.38의 (4)–(8)을 증명하라.
(4) 정리 3.25(2)에 의해,
따라서 정리 3.29(2)에 의해,
(5) 정의 3.23에 의해 $\mathcal{U} = \{x : x = x\}$이므로, 정리 3.13(1)에 의해 모든 원소 $x$는 $x \in \mathcal{U}$를 만족한다. 즉 $x \notin \mathcal{U}$를 만족하는 원소 $x$는 존재하지 않는다. 따라서 여모임의 정의(정의 3.27)에 의해 $\mathcal{U}^c = \{x : x \notin \mathcal{U}\}$는 원소를 전혀 갖지 않으므로, $x \in \mathcal{U}^c \implies x \in \emptyset$은 (전제가 항상 거짓이므로) 참이다. 따라서 $\subset$의 정의에 의해,
한편 정리 3.25(1)에 의해,
따라서 정리 3.13(4)에 의해,
(6) 정의 3.24에 의해 $\emptyset$은 원소를 전혀 갖지 않으므로, 모든 원소 $x$에 대해 $x \notin \emptyset$이 성립한다. 따라서 여모임의 정의에 의해 모든 원소 $x$는 $x \in \emptyset^c$을 만족한다. 한편 정의 3.23에 의해 모든 원소 $x$는 $x \in \mathcal{U}$를 만족한다. 그러므로 모든 원소 $x$에 대해
가 성립하며(양변이 항상 참이므로), 외연공리에 의해,
(7) 정리 3.25(2)에 의해,
반대로 $x \in \mathcal{U}$라고 가정하면 $x$는 원소이다. $x \in A$가 참인지 거짓인지에 따라 두 경우로 나눈다. $x \in A$가 참이면 합모임의 정의(정의 3.21)에 의해 $x \in A \cup A^c$이다. $x \in A$가 거짓이면 여모임의 정의(정의 3.27)에 의해 $x \in A^c$이므로, 다시 합모임의 정의에 의해 $x \in A \cup A^c$이다. 두 경우 모두 $x \in A \cup A^c$를 얻으므로,
따라서 $\mathcal{U} \subset A \cup A^c$이다. 두 포함관계를 결합하면, 정리 3.13(4)에 의해,
(8) $x \in A \cap A^c$이라고 가정하면, 교모임의 정의(정의 3.19)와 여모임의 정의에 의해,
그러나 어떤 원소도 $x \in A$와 $x \notin A$를 동시에 만족할 수 없다. 따라서 $x \in A \cap A^c$을 만족하는 원소 $x$는 존재하지 않으므로, $x \in A \cap A^c \implies x \in \emptyset$은 (전제가 항상 거짓이므로) 참이며, $\subset$의 정의에 의해,
한편 정리 3.25(1)에 의해,
따라서 정리 3.13(4)에 의해,
Prove (4)-(8) in Theorem 3.38.
(4) By Theorem 3.25(2),
Thus by Theorem 3.29(2),
(5) By Definition 3.23, $\mathcal{U} = \{x : x = x\}$, so by Theorem 3.13(1), every element $x$ satisfies $x \in \mathcal{U}$. That is, there is no element $x$ such that $x \notin \mathcal{U}$. Thus by the definition of the complement (Definition 3.27), $\mathcal{U}^c = \{x : x \notin \mathcal{U}\}$ has no elements at all, so $x \in \mathcal{U}^c \implies x \in \emptyset$ is true (since the premise is always false). Thus by the definition of $\subset$,
On the other hand, by Theorem 3.25(1),
Thus by Theorem 3.13(4),
(6) By Definition 3.24, $\emptyset$ has no elements at all, so $x \notin \emptyset$ holds for every element $x$. Thus by the definition of the complement, every element $x$ satisfies $x \in \emptyset^c$. On the other hand, by Definition 3.23, every element $x$ satisfies $x \in \mathcal{U}$. Therefore, for every element $x$,
holds (both sides being always true), and by the axiom of extent,
(7) By Theorem 3.25(2),
Conversely, assume $x \in \mathcal{U}$. Then $x$ is an element. We divide into two cases according to whether $x \in A$ is true or false. If $x \in A$ is true, then by the definition of the union (Definition 3.21), $x \in A \cup A^c$. If $x \in A$ is false, then by the definition of the complement (Definition 3.27), $x \in A^c$, so again by the definition of the union, $x \in A \cup A^c$. In either case we obtain $x \in A \cup A^c$, so
Thus $\mathcal{U} \subset A \cup A^c$. Combining the two inclusions, by Theorem 3.13(4),
(8) Assume $x \in A \cap A^c$. By the definition of the intersection (Definition 3.19) and the definition of the complement,
However, no element can satisfy $x \in A$ and $x \notin A$ at the same time. Thus there is no element $x$ satisfying $x \in A \cap A^c$, so $x \in A \cap A^c \implies x \in \emptyset$ is true (since the premise is always false), and by the definition of $\subset$,
On the other hand, by Theorem 3.25(1),
Thus by Theorem 3.13(4),
이 절에서 소개된 정리들을 적용하면 다양한 명제를 증명할 수 있다. 다음은 그 몇 가지 예시이다.
By applying theorems introduced in this section, we can prove lots of statements. Here are some examples.
다음을 증명하라.
분배법칙, 정리 3.38(8), 교환법칙, 그리고 정리 3.38(2)에 의해,
Prove that
By the distributive law, Theorem 3.38(8), the commutative law, and Theorem 3.38(2),
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 두 모임 $A$와 $B$의 “차모임”은 $A$에 속하지만 $B$에는 속하지 않는 모든 원소의 모임이다. 기호로는,
Let $A$ and $B$ classes. The “difference” of two classes $A$ and $B$ is the class of all elements which belongs to $A$ but do not belong to $B$. In symbols,
다음을 증명하라.
차모임 $A - B$의 정의, 교환법칙, 정리 3.33, 그리고 차모임 $B^c - A^c$의 정의에 의해,
Prove that
By the definition of the difference $A - B$, the commutative law, Theorem 3.33, and the definition of the difference $B^c - A^c$,