§4 Functions (iii): Images, Choice, and Products · 함수 (iii): 상·선택공리·곱
$f : A \to B$를 함수라 하고 $C$를 $A$의 부분모임이라 하자. $f$에 의한 $C$의 직상은 $\hat{f}(C)$로 나타내며, 다음과 같은 $B$의 부분모임이다:
즉, $\hat{f}(C)$는 $C$의 원소들의 상 전체로 이루어진 모임이다. 또한, $\hat{f}$로는 다음 그래프(?)를 나타낸다.
Let $f : A \to B$ be a function and $C$ be a subclass of $A$. The direct image of $C$ under $f$ denoted by $\hat{f}(C)$ is the following subclass of $B$:
That is, $\hat{f}(C)$ is the class of all the images of elements in $C$. Moreover, by $\hat{f}$ we denote the graph(?)
$f : A \to B$를 함수라 하고 $D$를 $B$의 부분모임이라 하자. $f$에 의한 $D$의 역상은 $\check{f}(D)$로 나타내며, 다음과 같은 $A$의 부분모임이다:
즉, $\check{f}(D)$는 $D$의 원소들의 원상 전체로 이루어진 모임이다. 또한, $\check{f}$로는 다음 그래프(?)를 나타낸다.
Let $f : A \to B$ be a function and $D$ be a subclass of $B$. The inverse image of $D$ under $f$ denoted by $\check{f}(D)$ is the following subclass of $A$:
That is, $\check{f}(D)$ is the class of all the pre-images of elements in $D$. Moreover, by $\check{f}$ we denote the graph(?)
- $a \in A$, $b \in B$라 하자. $\hat{f}(\{a\})$를 $\hat{f}(a)$로, $\check{f}(\{b\})$를 $\check{f}(b)$로 표기한다.
- 많은 책과 논문에서는 $\hat{f}(C)$와 $\check{f}(D)$ 대신 더 간단한 표기 $f(C)$와 $f^{-1}(D)$를 사용한다. 그러나 우리는 상·원상과의 혼동을 피하기 위해 $\hat{f}(C)$와 $\check{f}(D)$라는 표기를 계속 사용한다.
- Let $a \in A$ and $b \in B$. We write $\hat{f}(a)$ for $\hat{f}(\{a\})$ and $\check{f}(b)$ for $\check{f}(\{b\})$.
- In many books and papers, the simpler notation $f(C)$ and $f^{-1}(D)$ is used instead of $\hat{f}(C)$ and $\check{f}(D)$. However, we keep using notation $\hat{f}(C)$ and $\check{f}(D)$ to avoid confusion with images and pre-images.
$f : A \to B$를 함수라 하자. 그러면
- $C \subset A$이고 $D \subset A$이면,
$$C = D \implies \hat{f}(C) = \hat{f}(D)$$
- $C \subset B$이고 $D \subset B$이면,
$$C = D \implies \check{f}(C) = \check{f}(D).$$
증명의 유사성으로 인해 (1)만 증명한다. $C = D$라고 가정하자. 그러면 외연공리에 의해,
따라서 직상의 정의에 의해,
마지막으로 외연공리에 의해, $\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$이다.
Let $f : A \to B$ be a function. Then
- If $C \subset A$ and $D \subset A$, then
$$C = D \implies \hat{f}(C) = \hat{f}(D)$$
- If $C \subset B$ and $D \subset B$, then
$$C = D \implies \check{f}(C) = \check{f}(D).$$
Proof. Because of the similarity of the proof, we only prove (1). Suppose that $C = D$. Then by the axiom of extent,
Therefore, by the definition of the direct image,
Finally, by the axiom of extent, $\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$.
$\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$이더라도 $C = D$가 성립하는 것은 아니다. 마찬가지로, $\check{f}(C) = \check{f}(D)$이더라도 $C = D$가 성립하는 것은 아니다.
$\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$ does not imply $C = D$. Similarly, $\check{f}(C) = \check{f}(D)$ does not imply $C = D$.
$f : A \to B$를 함수라 하자. 그러면 다음 명제들을 증명하거나 반증하라:
- $C \subset A$이고 $D \subset A$이면,
$$\hat{f}(C) = \hat{f}(D) \implies C = D$$
- $C \subset B$이고 $D \subset B$이면,
$$\check{f}(C) = \check{f}(D) \implies C = D.$$
두 명제 모두 거짓이다. 다음 함수 하나로 두 반례를 모두 구성할 수 있다. $A = \{1, 2\}$, $B = \{3, 4\}$라 하고, 상수함수 $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$를 생각하자.
- $C = \{1\}$, $D = \{2\}$라 하면 $C \subset A$이고 $D \subset A$이며,
$$\hat{f}(C) = \{f(1)\} = \{3\} = \{f(2)\} = \hat{f}(D)$$이므로 $\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$이다. 그러나 $C = \{1\} \neq \{2\} = D$이다. 따라서 (1)은 거짓이다.
- $C = \{4\}$, $D = \emptyset$이라 하면 $C \subset B$이고 $D \subset B$이다. $ran\ f = \{3\}$이므로 $4 \notin ran\ f$이고, 따라서 역상의 정의에 의해 $\check{f}(C) = \check{f}(\{4\}) = \emptyset$이다. 한편 $D = \emptyset$이므로 (공허하게) $\check{f}(D) = \check{f}(\emptyset) = \emptyset$이다. 따라서
$$\check{f}(C) = \emptyset = \check{f}(D)$$이지만 $C = \{4\} \neq \emptyset = D$이다. 따라서 (2)도 거짓이다.
(이는 정확히 주의 4.55의 주장과 일치한다.)
Let $f : A \to B$ be a function. Then prove or disprove the following statements:
- If $C \subset A$ and $D \subset A$, then
$$\hat{f}(C) = \hat{f}(D) \implies C = D$$
- If $C \subset B$ and $D \subset B$, then
$$\check{f}(C) = \check{f}(D) \implies C = D.$$
Both statements are false. A single function gives counterexamples for both. Let $A = \{1, 2\}$, $B = \{3, 4\}$, and consider the constant function $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$.
- Let $C = \{1\}$ and $D = \{2\}$; then $C \subset A$ and $D \subset A$, and
$$\hat{f}(C) = \{f(1)\} = \{3\} = \{f(2)\} = \hat{f}(D)$$so $\hat{f}(C) = \hat{f}(D)$. However $C = \{1\} \neq \{2\} = D$. Thus (1) is false.
- Let $C = \{4\}$ and $D = \emptyset$; then $C \subset B$ and $D \subset B$. Since $ran\ f = \{3\}$, we have $4 \notin ran\ f$, so by the definition of the inverse image, $\check{f}(C) = \check{f}(\{4\}) = \emptyset$. On the other hand, since $D = \emptyset$, (vacuously) $\check{f}(D) = \check{f}(\emptyset) = \emptyset$. Thus
$$\check{f}(C) = \emptyset = \check{f}(D)$$but $C = \{4\} \neq \emptyset = D$. Thus (2) is also false.
(This is exactly the claim of Remark 4.55.)
$A$와 $B$를 집합이라 하고 $f : A \to B$를 함수라 하자. 그러면
- $\hat{f} : \mathcal{P}(A) \to \mathcal{P}(B)$는 함수이다
- $\check{f} : \mathcal{P}(B) \to \mathcal{P}(A)$는 함수이다.
유사성으로 인해 (1)만 증명한다. 먼저 $\hat{f}$가 그래프임을 주장한다. 다음을 상기하자.
$A$가 집합이므로, $A$의 임의의 부분모임 $C$는 부분집합 공리에 의해 집합이다. 더욱이 $B$가 집합이고 $A$의 임의의 부분모임 $C$에 대해 $\hat{f}(C) \subset B$이므로, $\hat{f}(C)$는 집합이다. 따라서 $A$의 임의의 부분모임 $C$에 대해 $(C, \hat{f}(C))$는 집합이다. 다시 말해, $\hat{f}$는 그래프이다. 다음으로 $\mathit{dom}\ \hat{f} = \mathcal{P}(A)$이고 $\mathit{ran}\ \hat{f} \subset \mathcal{P}(B)$임을 증명한다. $A$가 집합이므로, 그 멱집합 $\mathcal{P}(A)$는 잘 정의된다. 따라서 멱집합의 정의에 의해,
더욱이 직상의 정의에 의해, 각 $C \in \mathcal{P}(A)$에 대해 $\hat{f}(C)$는 $B$의 부분모임이다. 다시 말해, 모든 $C \in \mathcal{P}(A)$에 대해 $\hat{f}(C) \in \mathcal{P}(B)$이다. 따라서 (4.9)로부터 $\mathit{dom}\ \hat{f} = \mathcal{P}(A)$이고 $\mathit{ran}\ \hat{f} \subset \mathcal{P}(B)$임이 명백하다. 마지막으로 $\hat{f}$가 (F2)를 만족함을 보이는 것만 남았다. $(x, y_1) \in \hat{f}$이고 $(x, y_2) \in \hat{f}$라 하자. 그러면 (4.9)에 의해 다음을 만족하는 $C_1 \in \mathcal{P}(A)$와 $C_2 \in \mathcal{P}(A)$가 존재한다.
순서쌍의 성질에 의해, $C_1 = x = C_2$, $y_1 = \hat{f}(C_1)$, $y_2 = \hat{f}(C_2)$이다. 특히 $C_1 = C_2$이고, 이는 정리 4.54(1)에 의해 다음을 함의한다.
따라서, $y_1 = y_2$이다.
Let $A$ and $B$ sets and let $f : A \to B$ be a function. Then
- $\hat{f} : \mathcal{P}(A) \to \mathcal{P}(B)$ is a function
- $\check{f} : \mathcal{P}(B) \to \mathcal{P}(A)$ is a function.
Proof. Because of similarity, we only prove (1). First we claim that $\hat{f}$ is a graph. Recall that
Since $A$ is a set, any subclass $C$ of $A$ is a set by the axiom of subset. Moreover, since $B$ is a set and $\hat{f}(C) \subset B$ for any subclass $C$ of $A$, $\hat{f}(C)$ is a set. Thus $(C, \hat{f}(C))$ is a set for any subclass $C$ of $A$. In other words, $\hat{f}$ is a graph. Next we prove that $\mathit{dom}\ \hat{f} = \mathcal{P}(A)$ and $\mathit{ran}\ \hat{f} \subset \mathcal{P}(B)$. Since $A$ is a set, its power set $\mathcal{P}(A)$ is well-defined. Thus by the definition of the power set,
Moreover, by the definition of the direct image, for each $C \in \mathcal{P}(A)$, $\hat{f}(C)$ is a subclass of $B$. In other owrds, $\hat{f}(C) \in \mathcal{P}(B)$ for all $C \in \mathcal{P}(A)$. Therefore from (4.9), it is obvious that $\mathit{dom}\ \hat{f} = \mathcal{P}(A)$ and $\mathit{ran}\ \hat{f} \subset \mathcal{P}(B)$. Finally, it only remains to show that $\hat{f}$ satisfies (F2). Let $(x, y_1) \in \hat{f}$ and $(x, y_2) \in \hat{f}$. Then by (4.9), there exist $C_1 \in \mathcal{P}(A)$ and $C_2 \in \mathcal{P}(A)$ such that
By the property of the ordered-pair, $C_1 = x = C_2$, $y_1 = \hat{f}(C_1)$, and $y_2 = \hat{f}(C_2)$. In particular, $C_1 = C_2$ and it implies
due to Theorem 4.54(1). Therefore, $y_1 = y_2$.
$f : A \to B$를 함수라 하고 $\{D_i\}_{i \in I}$를 $B$의 부분모임들의 족이라 하자. 그러면
-
$$\check{f}\left(\bigcup_{i \in I} D_i\right) = \bigcup_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right)$$
-
$$\check{f}\left(\bigcap_{i \in I} D_i\right) = \bigcap_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right).$$
- 역상과 합모임의 정의에 의해,
$$\begin{aligned} x \in \check{f}\left(\bigcup_{i \in I} D_i\right) &\iff \exists y \in \bigcup_{i \in I} D_i \ni y = f(x) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni (y \in D_{i_0} \ni y = f(x)) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni x \in \check{f}(D_{i_0}) \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right). \end{aligned}$$
- 역상과 교모임의 정의에 의해,
$$\begin{aligned} x \in \check{f}\left(\bigcap_{i \in I} D_i\right) &\iff \exists y \in \bigcap_{i \in I} D_i \ni y = f(x) \\ &\iff y \in \bigcap_{i \in I} D_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff y \in D_i \text{ for all } i \in I \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff y \in D_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff \exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in D_i} \check{f}(D_i). \end{aligned}$$
위에서 유일하게 모호한 부분은 다음이다.
$$\begin{aligned} &\exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I. \end{aligned}$$다음은 명백하다.
$$\begin{aligned} &\exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\implies x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I. \end{aligned}$$역으로, 다음을 가정하자.
$$x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I.$$그러면 각 $i \in I$에 대해 $f(x) = y_i$를 만족하는 $y_i \in D_i$가 존재한다. 그러나 (F2)에 의해 모든 $i, j \in I$에 대해 $y_i = y_j$이다. 따라서 $f(x) = y$이고 모든 $i \in I$에 대해 $y \in D_i$를 만족하는 $y$가 존재한다.
Let $f : A \to B$ be a function and $\{D_i\}_{i \in I}$ be a family of subclasses of $B$. Then
-
$$\check{f}\left(\bigcup_{i \in I} D_i\right) = \bigcup_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right)$$
-
$$\check{f}\left(\bigcap_{i \in I} D_i\right) = \bigcap_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right).$$
Proof.
- By the definition of the inverse image and the union,
$$\begin{aligned} x \in \check{f}\left(\bigcup_{i \in I} D_i\right) &\iff \exists y \in \bigcup_{i \in I} D_i \ni y = f(x) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni (y \in D_{i_0} \ni y = f(x)) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni x \in \check{f}(D_{i_0}) \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} \check{f}\left(D_i\right). \end{aligned}$$
- By the definition of the inverse image and the intersection,
$$\begin{aligned} x \in \check{f}\left(\bigcap_{i \in I} D_i\right) &\iff \exists y \in \bigcap_{i \in I} D_i \ni y = f(x) \\ &\iff y \in \bigcap_{i \in I} D_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff y \in D_i \text{ for all } i \in I \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff y \in D_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff \exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in D_i} \check{f}(D_i). \end{aligned}$$
The only vague part above is
$$\begin{aligned} &\exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I. \end{aligned}$$It is obvious that
$$\begin{aligned} &\exists y \in D_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\implies x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I. \end{aligned}$$Conversely, assume that
$$x \in \check{f}(D_i) \text{ for all } i \in I.$$Then for each $i \in I$, there exists $y_i \in D_i$ such that $f(x) = y_i$. However, due to (F2), $y_i = y_j$ for all $i, j \in I$. Therefore, there exists a $y$ such that $f(x) = y$ and $y \in D_i$ for all $i \in I$.
$f : A \to B$를 함수라 하고 $\{C_i\}_{i \in I}$를 $A$의 부분모임들의 족이라 하자. 그러면
-
$$\hat{f}\left(\bigcup_{i \in I} C_i\right) = \bigcup_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right).$$
-
$$\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right).$$
- 직상과 합모임의 정의에 의해,
$$\begin{aligned} y \in \hat{f}\left(\bigcup_{i \in I} C_i\right) &\iff \exists x \in \bigcup_{i \in I} C_i \ni y = f(x) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni (x \in C_{i_0} \ni y = f(x)) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni y \in \hat{f}(C_{i_0}) \\ &\iff y \in \bigcup_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right). \end{aligned}$$
- 직상과 교모임의 정의에 의해,
$$\begin{aligned} y \in \hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) &\iff \exists x \in \bigcap_{i \in I} C_i \ni y = f(x) \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in I} C_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff x \in C_i \text{ for all } i \in I \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff x \in C_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff \exists x \in C_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff y \in \hat{f}(C_i) \text{ for all } i \in I \\ &\iff y \in \bigcap_{i \in C_i} \hat{f}(C_i). \end{aligned}$$
Let $f : A \to B$ be a function and $\{C_i\}_{i \in I}$ be a family of subclasses of $A$. Then
-
$$\hat{f}\left(\bigcup_{i \in I} C_i\right) = \bigcup_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right).$$
-
$$\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right).$$
Proof.
- By the definition of the direct image and the union,
$$\begin{aligned} y \in \hat{f}\left(\bigcup_{i \in I} C_i\right) &\iff \exists x \in \bigcup_{i \in I} C_i \ni y = f(x) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni (x \in C_{i_0} \ni y = f(x)) \\ &\iff \exists i_0 \in I \ni y \in \hat{f}(C_{i_0}) \\ &\iff y \in \bigcup_{i \in I} \hat{f}\left(C_i\right). \end{aligned}$$
- By the definition of the direct image and the intersection,
$$\begin{aligned} y \in \hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) &\iff \exists x \in \bigcap_{i \in I} C_i \ni y = f(x) \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in I} C_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff x \in C_i \text{ for all } i \in I \quad \text{and} \quad y = f(x) \\ &\iff x \in C_i \quad \text{and} \quad y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff \exists x \in C_i \ni y = f(x) \text{ for all } i \in I \\ &\iff y \in \hat{f}(C_i) \text{ for all } i \in I \\ &\iff y \in \bigcap_{i \in C_i} \hat{f}(C_i). \end{aligned}$$
정리 4.59(2)의 증명에서 오류를 찾아라. 나아가 그것을 옳게 만들 $f : A \to B$에 대한 추가 조건을 찾아라.
오류가 있는 부분은 다음 동치이다.
(⇒) 방향은 성립한다: 좌변의 $x$는 이미 모든 $i \in I$에 대해 $x \in C_i$이고 $y = f(x)$이므로, 그 같은 $x$가 우변에서 각 $i$에 대한 목격자 역할을 한다.
그러나 (⇐) 방향은 성립하지 않는다. 우변은 각 $i \in I$마다 $y = f(x_i)$를 만족하는 어떤 $x_i \in C_i$가 존재한다는 것만 말할 뿐이며, 이 $x_i$들이 $i$마다 서로 다를 수 있다. 즉 우변으로부터는 모든 $i \in I$에 공통인 하나의 $x \in \bigcap_{i \in I} C_i$의 존재가 따라 나오지 않는다.
구체적인 반례: $A = \{1,2\}$, $B = \{3,4\}$, $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$라 하고, $I = \{1,2\}$, $C_1 = \{1\}$, $C_2 = \{2\}$라 하자. 그러면 $\hat{f}(C_1) = \{3\} = \hat{f}(C_2)$이므로
이다. 그러나 $C_1 \cap C_2 = \emptyset$이므로
따라서 문제의 동치는 실제로 참인 명제가 아니다 (같은 반례가 연습문제 4.61에서도 쓰인다).
이를 바로잡는 추가 조건은 $f$가 단사라는 것이다. $f$가 단사라고 가정하고 $y \in \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$라 하자. 그러면 각 $i \in I$에 대해 $y = f(x_i)$를 만족하는 $x_i \in C_i$가 존재한다. $f$가 단사이므로 (INJ)에 의해, 같은 $y$의 원상은 유일하다. 즉 모든 $i, j \in I$에 대해 $x_i = x_j$이다. 따라서 하나의 공통된 원소 $x$가 존재하여, 모든 $i \in I$에 대해 $x = x_i \in C_i$이고 $y = f(x)$이다. 그러므로 $x \in \bigcap_{i \in I} C_i$이고 $y \in \hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right)$이다. 이는
를 보이며, 반대 방향의 포함관계 $\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$는 정리 4.59(2)에 의해 $f$가 무엇이든 항상 성립한다. 따라서 $f$가 단사이면
가 성립한다 (연습문제 4.61 참고).
(역주: 정리 4.59(2) 증명의 마지막 줄에 인쇄된 첨자 $\bigcap_{i \in C_i} \hat{f}(C_i)$는 $\bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$의 오타이다 — 정리 4.58(2) 증명의 마지막 줄에도 같은 종류의 오타($\bigcap_{i \in D_i}$)가 나타난다.)
Find an error in the proof of Theorem 4.59(2). Moreover, find an additional condition on $f : A \to B$ to make it correct.
The flawed step is the following biconditional.
The ($\Rightarrow$) direction holds: the $x$ on the left already satisfies $x \in C_i$ and $y = f(x)$ for all $i \in I$, so that same $x$ serves as the witness for each $i$ on the right.
However, the ($\Leftarrow$) direction fails. The right side only says that for each $i \in I$ there exists some $x_i \in C_i$ with $y = f(x_i)$, and these $x_i$ may differ from one $i$ to another. In other words, the right side does not force the existence of a single $x \in \bigcap_{i \in I} C_i$ common to every $i \in I$.
Concrete counterexample: let $A = \{1,2\}$, $B = \{3,4\}$, $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$, and $I = \{1,2\}$, $C_1 = \{1\}$, $C_2 = \{2\}$. Then $\hat{f}(C_1) = \{3\} = \hat{f}(C_2)$, so
However, $C_1 \cap C_2 = \emptyset$, so
Thus the biconditional in question is not actually a true statement (the same counterexample is used again in Exercise 4.61).
An additional condition that repairs it is that $f$ be injective. Assume $f$ is injective and let $y \in \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$. Then for each $i \in I$ there exists $x_i \in C_i$ such that $y = f(x_i)$. Since $f$ is injective, by (INJ) the pre-image of the same $y$ is unique, i.e. $x_i = x_j$ for all $i, j \in I$. Thus there is a single common element $x$ such that $x = x_i \in C_i$ for all $i \in I$ and $y = f(x)$. Therefore $x \in \bigcap_{i \in I} C_i$ and $y \in \hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right)$. This shows
and the reverse inclusion $\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$ always holds by Theorem 4.59(2), regardless of $f$. Hence if $f$ is injective,
holds (cf. Exercise 4.61).
(Translator's note: the subscript $\bigcap_{i \in C_i} \hat{f}(C_i)$ printed in the last line of the proof of Theorem 4.59(2) is a typo for $\bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$ — the same kind of typo ($\bigcap_{i \in D_i}$) occurs in the last line of the proof of Theorem 4.58(2).)
$f : A \to B$를 함수라 하고 $\{C_i\}_{i \in I}$를 $A$의 부분모임들의 족이라 하자. 다음을 증명하거나 반증하라.
이 등식은 일반적으로 성립하지 않는다. 반증한다.
$A = \{1,2\}$, $B = \{3,4\}$라 하고 $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$라 하자. $I = \{1,2\}$라 하고 $C_1 = \{1\}$, $C_2 = \{2\}$라 하자. 그러면 $\hat{f}(C_1) = \{3\} = \hat{f}(C_2)$이므로
이다. 그러나 $C_1 \cap C_2 = \emptyset$이므로
따라서
이고, 등식은 성립하지 않는다.
다만 정리 4.59(2)에 의해 포함관계 $\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$는 $f$가 무엇이든 항상 성립한다 (위 반례에서도 $\emptyset \subset \{3\}$이므로 어긋나지 않는다). 나아가 연습문제 4.60에서 본 것처럼, $f$가 단사이면 반대 방향의 포함관계도 성립하여 등식이 성립한다.
Let $f : A \to B$ be a function and $\{C_i\}_{i \in I}$ be a family of subclasses of $A$. Prove or disprove that
This equality does not hold in general. We disprove it.
Let $A = \{1,2\}$, $B = \{3,4\}$, and $f = \{(1,3),(2,3)\} : A \to B$. Let $I = \{1,2\}$, $C_1 = \{1\}$, and $C_2 = \{2\}$. Then $\hat{f}(C_1) = \{3\} = \hat{f}(C_2)$, so
However, $C_1 \cap C_2 = \emptyset$, so
Therefore
and the equality fails.
Note, however, that by Theorem 4.59(2) the inclusion $\hat{f}\left(\bigcap_{i \in I} C_i\right) \subset \bigcap_{i \in I} \hat{f}(C_i)$ always holds regardless of $f$ (indeed $\emptyset \subset \{3\}$ in the counterexample above, so this inclusion is not violated). Moreover, as seen in Exercise 4.60, if $f$ is injective, then the reverse inclusion also holds, so the equality holds.
$A$를 집합이라 하고, $\mathcal{P}(A) - \{\emptyset\}$을 $\mathcal{P}'(A)$로 나타내자. $A$에 대한 “선택함수”란 다음을 만족하는 함수 $r : \mathcal{P}'(A) \to A$를 말한다.
Let $A$ be a set and write $\mathcal{P}'(A)$ for $\mathcal{P}(A) - \{\emptyset\}$. By a “choice function” for $A$, we mean a function $r : \mathcal{P}'(A) \to A$ such that
$A$를 집합이라 하고 $r : \mathcal{P}'(A) \to A$를 선택함수라 하자. 그러면 각 $B \in \mathcal{P}'(A)$에 대해 $r(B) \in B$이다. 다시 말해, 공집합이 아닌 각 부분집합 $B$에 대해 $r(B)$는 $B$의 원소이다. 따라서 직관적으로, 선택함수 $r : \mathcal{P}'(A) \to A$는 $A$의 공집합이 아닌 각 부분집합에서 원소 하나씩을 선택하는 행위로 이해할 수 있다.
Let $A$ be a set and $r : \mathcal{P}'(A) \to A$ be a choice function. Then for each $B \in \mathcal{P}'(A)$, we have $r(B) \in B$. In other words, for each nonempty subset $B$, $r(B)$ is an element of $B$. Thus intuitively, we can understand a choice function $r : \mathcal{P}'(A) \to A$ as the action that we choose an element from each nonempty subset of $A$.
모든 집합은 선택함수를 가진다.
Every set has a choice function.
$f : A \to B$를 함수라 하고 $A \neq \emptyset$이라 가정하자. 그러면 $f : A \to B$가 전사인 것은 $f : A \to B$의 오른쪽 역함수가 존재하는 것과 필요충분조건이다. 즉, $f \circ g = I_B$를 만족하는 함수 $g : B \to A$가 존재하는 것과 동치이다.
(⇐)는 연습문제 4.41에서 나오므로, (⇒)만 증명한다. $f : A \to B$가 전사라고 가정하자. 그러면 각 $y \in B$에 대해 $\check{f}(y) := \check{f}(\{y\})$는 공집합이 아니다. 선택공리에 의해 $A$에 대한 선택함수 $r$이 존재한다. 다음과 같이 정의하자.
그러면 $r : \mathcal{P}'(A) \to A$가 함수이므로 $g : B \to A$는 함수이다. 정리 4.13에 의해, 다음을 보이는 것으로 충분하다.
각 $y \in B$에 대해 $g(y) = r(\check{f}(y)) \in \check{f}(y)$임을 관찰하자. 따라서 $f(g(y)) = y$이다. 마지막으로 연습문제 4.29에 의해 (4.10)을 얻는다.
Let $f : A \to B$ be a function and assume that $A \neq \emptyset$. Then $f : A \to B$ is surjective if and only if there exists a right inverse of $f : A \to B$, i.e. there exists a function $g : B \to A$ such that $f \circ g = I_B$.
Proof. We skip the proof of the if part due to Exercise 4.41. We only prove the only if part. Assume that $f : A \to B$ is surjective. Then for each $y \in B$, $\check{f}(y) := \check{f}(\{y\})$ is nonempty. Due to the axiom of choice, there exists a choice function $r$ for $A$. Define
Then since $r : \mathcal{P}'(A) \to A$ is a function, $g : B \to A$ is a function. Due to Theorem 4.13, it is sufficient to show that
Observe that for each $y \in B$, $g(y) = r(\check{f}(y)) \in \check{f}(y)$. Thus $f(g(y)) = y$. Finally by Exercise 4.29, we have (4.10).
$f : A \to B$를 전사함수라 하고 $r$을 $A$에 대한 선택함수라 하자. 다음과 같이 정의하자.
$g : B \to A$가 함수임을 증명하라.
먼저 $g \subset B \times A$임을 보인다 (표기법 4.53(1)에 의해 $\check{f}(y) = \check{f}(\{y\})$이다). $y \in B$라 하자. $f : A \to B$가 전사이므로 (SURJ)에 의해 $y = f(x)$를 만족하는 $x \in A$가 존재한다. 즉 $x \in \check{f}(\{y\})$이고, 따라서 $\check{f}(\{y\}) \neq \emptyset$이다. 한편 역상의 정의에 의해 $\check{f}(\{y\})$는 $A$의 부분모임이다. 또한 $r$이 $A$에 대한 선택함수이므로 정의 4.62에 의해 $A$는 집합이고, 따라서 부분집합 공리에 의해 그 부분모임 $\check{f}(\{y\})$는 집합이다. 그러므로 멱집합의 정의에 의해 $\check{f}(\{y\}) \in \mathcal{P}(A)$이고, $\check{f}(\{y\}) \neq \emptyset$이므로
이다. 따라서 선택함수의 정의(정의 4.62)에 의해
이다. 따라서 $g$의 각 원소 $(y, r(\check{f}(\{y\})))$는 $y \in B$이고 $r(\check{f}(\{y\})) \in A$를 만족하므로, $g \subset B \times A$이다. 특히 $g$는 그래프이다.
다음으로 정리 4.8을 이용하여 $g : B \to A$가 함수임을 보인다.
$g$의 정의에 의해, 모든 $y \in B$에 대해 $(y, r(\check{f}(\{y\}))) \in g$이다. 따라서 $dom\ g = B$이다. 또한 $ran\ g \subset A$임은 위에서 이미 보였다.
마지막으로 $g$가 (F2)를 만족함을 보인다. $(y, a_1) \in g$이고 $(y, a_2) \in g$라 하자. $g$의 정의에 의해 $a_1 = r(\check{f}(\{y\})) = a_2$이다 ($r$이 함수이므로 $\check{f}(\{y\})$에서의 값이 유일하기 때문이다). 따라서 (F2)가 성립한다.
그러므로 $g$는 그래프이고, (F2)를 만족하며, $dom\ g = B$이고 $ran\ g \subset A$이다. 정리 4.8에 의해 $g : B \to A$는 함수이다.
Let $f : A \to B$ be a surjective function and $r$ be a choice function for $A$. Define
Prove that $g : B \to A$ is a function.
First we show that $g \subset B \times A$ (by Notation 4.53(1), $\check{f}(y) = \check{f}(\{y\})$). Let $y \in B$. Since $f : A \to B$ is surjective, by (SURJ) there exists $x \in A$ such that $y = f(x)$. That is, $x \in \check{f}(\{y\})$, so $\check{f}(\{y\}) \neq \emptyset$. On the other hand, by the definition of the inverse image, $\check{f}(\{y\})$ is a subclass of $A$. Moreover, since $r$ is a choice function for $A$, $A$ is a set by Definition 4.62, and hence its subclass $\check{f}(\{y\})$ is a set by the axiom of subset. Therefore, by the definition of the power set, $\check{f}(\{y\}) \in \mathcal{P}(A)$, and since $\check{f}(\{y\}) \neq \emptyset$,
Hence, by the definition of a choice function (Definition 4.62),
Thus each element $(y, r(\check{f}(\{y\})))$ of $g$ satisfies $y \in B$ and $r(\check{f}(\{y\})) \in A$, so $g \subset B \times A$. In particular, $g$ is a graph.
Next we use Theorem 4.8 to show that $g : B \to A$ is a function.
By the definition of $g$, $(y, r(\check{f}(\{y\}))) \in g$ for every $y \in B$. Thus $dom\ g = B$. Moreover, we already showed $ran\ g \subset A$ above.
Finally we show that $g$ satisfies (F2). Let $(y, a_1) \in g$ and $(y, a_2) \in g$. By the definition of $g$, $a_1 = r(\check{f}(\{y\})) = a_2$ (since $r$ is a function, its value at $\check{f}(\{y\})$ is unique). Thus (F2) holds.
Therefore $g$ is a graph satisfying (F2), with $dom\ g = B$ and $ran\ g \subset A$. By Theorem 4.8, $g : B \to A$ is a function.
$\{A_i\}_{i \in I}$를 모임들의 첨수족이라 하고 다음과 같이 정의하자.
모임 $A_i$들의 “곱”은 다음 모임으로 정의된다.
Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of classes and define
The “product” of the classes $A_i$ is defined to be the class
$I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, $A_2 = \{c, d\}$라 하자. 그러면
이고, $\prod_{i \in I} A_i$는 $f(1) \in A_1$이고 $f(2) \in A_2$를 만족하는 모든 그래프(함수) $f : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$로 이루어진다. 더 정확히 말해, 다음 네 함수 $f_1 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_2 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_3 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_4 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$가 존재하며, 여기서
이다. 따라서,
한편, 데카르트 곱 $A_1 \times A_2$를 상기하자. 그러면
다음과 같이 동일시함으로써,
$\prod_{i \in I} A_i$와 $A_1 \times A_2$가 같다고 생각할 수 있다. 특히, $\prod_{i \in I} A_i$에서 $A_1 \times A_2$로 가는 전단사함수를 쉽게 찾을 수 있다. 다시 말해, $\prod_{i \in I} A_i$와 $A_1 \times A_2$는 일대일대응 관계에 있다.
Let $I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, and $A_2 = \{c, d\}$. Then
and $\prod_{i \in I} A_i$ consists of all graphs (functions) $f : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$ such that $f(1) \in A_1$ and $f(2) \in A_2$. More precisely, there are four functions: $f_1 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_2 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_3 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, $f_4 : \{1, 2\} \to \{a, b, c, d\}$, where
Therefore,
On the other hand, recall the Cartesian product $A_1 \times A_2$. Then
By identifying,
we may think that $\prod_{i \in I} A_i$ and $A_1 \times A_2$ are equal. In particular, we can easily find a bijective function from $\prod_{i \in I} A_i$ to $A_1 \times A_2$. In other words, $\prod_{i \in I} A_i$ and $A_1 \times A_2$ are in one-to-one correspondence.
$I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, $A_2 = \{c, d\}$라 하자. $\prod_{i \in I} A_i$에서 $A_1 \times A_2$로 가는 전단사함수를 찾아라.
$\gamma : \prod_{i \in I} A_i \to A_1 \times A_2$를 $\gamma(f) = (f(1), f(2))$로 정의하면, $\gamma$가 원하는 전단사함수이다.
예제 4.68에 의해 $\prod_{i \in I} A_i = \{f_1, f_2, f_3, f_4\}$이고, 여기서
이다. $\gamma$의 정의에 의해
이다. 이는 $A_1 \times A_2 = \{(a,c),(a,d),(b,c),(b,d)\}$의 네 원소 전부이며, 서로 다른 네 개의 값이다.
정의역 $\prod_{i \in I} A_i = \{f_1,f_2,f_3,f_4\}$의 네 원소가 서로 다른 네 개의 상 $\gamma(f_1), \dots, \gamma(f_4)$로 대응되므로, (INJ)에 의해 $\gamma$는 단사이다. 또한 이 네 개의 상이 $A_1 \times A_2$의 원소 전부이므로, (SURJ)에 의해 $\gamma$는 전사이다. 따라서 $\gamma$는 단사이면서 전사이므로, 정의 4.14(3)에 의해 전단사함수이다.
Let $I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, and $A_2 = \{c, d\}$. Find a bijective function from $\prod_{i \in I} A_i$ to $A_1 \times A_2$.
Define $\gamma : \prod_{i \in I} A_i \to A_1 \times A_2$ by $\gamma(f) = (f(1), f(2))$; then $\gamma$ is the desired bijective function.
By Example 4.68, $\prod_{i \in I} A_i = \{f_1, f_2, f_3, f_4\}$, where
By the definition of $\gamma$,
These are exactly the four elements of $A_1 \times A_2 = \{(a,c),(a,d),(b,c),(b,d)\}$, and they are four distinct values.
Since the four elements of the domain $\prod_{i \in I} A_i = \{f_1,f_2,f_3,f_4\}$ correspond to four distinct images $\gamma(f_1), \dots, \gamma(f_4)$, by (INJ) $\gamma$ is injective. Moreover, since these four images are exactly all the elements of $A_1 \times A_2$, by (SURJ) $\gamma$ is surjective. Therefore $\gamma$ is both injective and surjective, so by Definition 4.14(3) it is bijective.
$\{A_i\}_{i \in I}$를 모임들의 첨수족이라 하고 다음과 같이 정의하자.
- $a$를 $\prod_{i \in I} A_i$의 원소라 하자. 그러면 $a$는 $I$에서 $A$로 가는 함수이다. $a_j$와 $a(j)$가 같은 의미를 가진다고 약속한다. 즉, $a_j$는 $j \in I$의 상이다. $a_j$를 $a$의 제$j$좌표라 부른다.
- 각 $i \in I$에 대해 $x_i \in A_i$라 가정하자. 기호 $\{x_i\}_{i \in I}$를 사용하여 제$i$좌표가 $x_i$인 $\prod_{i \in I} A_i$의 원소를 나타낸다.
- $j \in I$라 하자. 모든 $a \in \prod_{i \in I} A_i$에 대해 $p_j$를 다음과 같이 정의한다.
$$p_j(a) = a_j,$$즉, $p_j$는 $\{(a, a_j) : a \in \prod_{i \in I} A_i\}$로 주어지는 그래프이다. 그러면 $p_j$는 $\prod_{i \in I} A_i$에서 $A_j$로 가는 함수가 된다. 이 함수 $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$를 $\prod_{i \in I} A_i$에서 $A_j$로 가는 “제$j$사영”이라 부른다.
Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of classes and define
- Let $a$ be an element of $\prod_{i \in I} A_i$. Then $a$ is an function from $I$ to $A$. We agree that $a_j$ and $a(j)$ have the same meaning, i.e. $a_j$ is the image of $j \in I$. We call $a_j$ the $j$-th coordinate of $a$.
- Assume that for each $i \in I$, $x_i \in A_i$. We use the symbol $\{x_i\}_{i \in I}$ to designate the element in $\prod_{i \in I} A_i$ whose $i$-th coordinate is $x_i$.
- Let $j \in I$. For all $a \in \prod_{i \in I} A_i$, we define $p_j$ as
$$p_j(a) = a_j,$$i.e. $p_j$ is the graph given by $\{(a, a_j) : a \in \prod_{i \in I} A_i\}$. Then $p_j$ becomes a function from $\prod_{i \in I} A_i$ to $A_j$. We call this function $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$ the “$j$-th projection of $\prod_{i \in I} A_i$ to $A_j$.
$j \in I$라 하자. $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$가 함수임을 증명하라.
정리 4.8을 이용하여 $p_j$가 함수임을 보인다. 표기법 4.70에 의해
먼저 $p_j \subset \left(\prod_{i \in I} A_i\right) \times A_j$임을 보인다. $a \in \prod_{i \in I} A_i$라 하자. 곱의 정의(정의 4.67)에 의해 $a$는 $I$에서 $A = \bigcup_{i \in I} A_i$로 가는 함수이고, 모든 $i \in I$에 대해 $a(i) \in A_i$이다. 특히 $a_j = a(j) \in A_j$이다. 따라서 $p_j$의 각 원소 $(a, a_j)$는 $a \in \prod_{i \in I} A_i$이고 $a_j \in A_j$를 만족하므로, $p_j \subset \left(\prod_{i \in I} A_i\right) \times A_j$이다. 특히 $p_j$는 그래프이다.
$p_j$의 정의에 의해, $\prod_{i \in I} A_i$의 모든 원소 $a$에 대해 $(a, a_j) \in p_j$이다. 따라서 $dom\ p_j = \prod_{i \in I} A_i$이다. 또한 $ran\ p_j \subset A_j$임은 위에서 이미 보였다.
마지막으로 $p_j$가 (F2)를 만족함을 보인다. $(a, y_1) \in p_j$이고 $(a, y_2) \in p_j$라 하자. $p_j$의 정의에 의해, $(a,y_1) = (a', (a')_j)$이고 $(a,y_2) = (a'',(a'')_j)$를 만족하는 $a', a'' \in \prod_{i \in I} A_i$가 존재한다 (표기법 4.70의 첨자 $a_j$와 혼동하지 않도록 원소는 $a'$, $a''$으로 쓴다). 순서쌍의 성질(정리 3.54)에 의해 $a' = a = a''$이고 $y_1 = (a')_j$, $y_2 = (a'')_j$이다. $a' = a''$이므로 $y_1 = (a')_j = (a'')_j = y_2$이다. 따라서 (F2)가 성립한다.
그러므로 $p_j$는 그래프이고 (F2)를 만족하며, $dom\ p_j = \prod_{i \in I} A_i$이고 $ran\ p_j \subset A_j$이다. 정리 4.8에 의해 $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$는 함수이다.
Let $j \in I$. Prove that $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$ is a function.
We use Theorem 4.8 to show that $p_j$ is a function. By Notation 4.70,
First we show that $p_j \subset \left(\prod_{i \in I} A_i\right) \times A_j$. Let $a \in \prod_{i \in I} A_i$. By the definition of the product (Definition 4.67), $a$ is a function from $I$ to $A = \bigcup_{i \in I} A_i$, and $a(i) \in A_i$ for all $i \in I$. In particular, $a_j = a(j) \in A_j$. Thus each element $(a, a_j)$ of $p_j$ satisfies $a \in \prod_{i \in I} A_i$ and $a_j \in A_j$, so $p_j \subset \left(\prod_{i \in I} A_i\right) \times A_j$. In particular, $p_j$ is a graph.
By the definition of $p_j$, $(a, a_j) \in p_j$ for every element $a$ of $\prod_{i \in I} A_i$. Thus $dom\ p_j = \prod_{i \in I} A_i$. Moreover, we already showed $ran\ p_j \subset A_j$ above.
Finally we show that $p_j$ satisfies (F2). Let $(a, y_1) \in p_j$ and $(a, y_2) \in p_j$. By the definition of $p_j$, there exist $a', a'' \in \prod_{i \in I} A_i$ such that $(a,y_1) = (a', (a')_j)$ and $(a,y_2) = (a'',(a'')_j)$ (we write the elements as $a'$, $a''$ so as not to confuse them with the coordinate notation $a_j$ of Notation 4.70). By the property of the ordered pair (Theorem 3.54), $a' = a = a''$, $y_1 = (a')_j$, and $y_2 = (a'')_j$. Since $a' = a''$, we have $y_1 = (a')_j = (a'')_j = y_2$. Thus (F2) holds.
Therefore $p_j$ is a graph satisfying (F2), with $dom\ p_j = \prod_{i \in I} A_i$ and $ran\ p_j \subset A_j$. By Theorem 4.8, $p_j : \prod_{i \in I} A_i \to A_j$ is a function.
$A$와 $B$를 모임이라 하자. 기호 $B^A$는 $A$에서 $B$로 가는 모든 함수의 모임을 가리킨다. 특히 2가 두 원소로 이루어진 모임을 나타내면, $2^A$는 $A$에서 2로 가는 모든 함수의 모임을 나타낸다.
Let $A$ and $B$ be classes. The symbol $B^A$ refers to the class of all functions from $A$ to $B$. In particular, if 2 denotes a class of two elements, then $2^A$ denotes the class of all functions from $A$ to 2.
$A$를 집합이라 하고, 2를 서로 다른 두 원소 0과 1로 이루어진 모임이라 하자. 그러면 $2^A$와 $\mathcal{P}(A)$는 일대일대응 관계에 있다.
전단사함수 $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$를 찾는 것으로 충분하다. 예제 4.20을 상기하자. 임의의 $B \in \mathcal{P}(A)$에 대해, 특성함수 $C_B$를 생각할 수 있다. 더 정확히 말해, $C_B : A \to 2$는 다음을 만족하는 함수이다.
각 $B \in \mathcal{P}(A)$에 대해 $C_B : A \to 2 \in 2^A$임은 명백하다. $\gamma$를 다음과 같이 정의한다.
그러면 $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$는 다음을 만족하는 함수이다.
함수 $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$가 단사이고 전사임을 보이는 것만 남았다. 먼저 단사임을 증명한다. $B, D \in \mathcal{P}(A)$에 대해 $\gamma(B) = \gamma(D)$라 가정하자. 그러면 $C_B : A \to 2 = C_D : A \to 2$이다. 특히,
이다. 따라서 정리 3.54에 의해,
이다. 그러므로 다시 정리 3.54에 의해 $B = D$이다. 다음으로 전사성을 증명한다. $f : A \to 2 \in 2^A$라 하자. $B = \check{f}(1)$이라 두자. 그러면
이고 $B \in \mathcal{P}(A)$이다. 따라서
이다. 그러므로 $\gamma(B) = f : A \to 2$이다.
Let $A$ be a set and 2 be a class consisting of two (different) elements 0 and 1. Then $2^A$ and $\mathcal{P}(A)$ are in one-to-one correspondence.
Proof. It is sufficient to find a bijective function $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$. Recall Example 4.20. For any $B \in \mathcal{P}(A)$, we can consider the characteristic function $C_B$. More precisely, $C_B : A \to 2$ is a function such that
That for each $B \in \mathcal{P}(A)$, it is obvious that $C_B : A \to 2 \in 2^A$. We define $\gamma$ by
Then $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$ is a function such that
It only remains to show that the function $\gamma : \mathcal{P}(A) \to 2^A$ is injective and surjective. First we prove that it is injective. Assume that $\gamma(B) = \gamma(D)$ for $B, D \in \mathcal{P}(A)$. Then $C_B : A \to 2 = C_D : A \to 2$. In particular,
Thus by Theorem 3.54,
Therefore, by Theorem 3.54 again, we have $B = D$. Next we prove that the surjective property. Let $f : A \to 2 \in 2^A$. Put $B = \check{f}(1)$. Then
and $B \in \mathcal{P}(A)$. Thus
Therefore, $\gamma(B) = f : A \to 2$.
(4.11)이 (4.12)를 함의함을 증명하라.
$C_B := \{(x,1):x\in B\} \cup \{(x,0): x \notin B \text{ and } x \in A\}$, $C_D := \{(x,1):x\in D\} \cup \{(x,0): x \notin D \text{ and } x \in A\}$라 쓰자. (4.11)은 $C_B = C_D$를 뜻한다. 목표는
를 보이는 것이다.
먼저 $\{(x,1):x\in B\} \subset \{(x,1):x\in D\}$를 보인다. $(x,1) \in \{(x,1):x\in B\}$라 하자. $\{(x,1):x\in B\} \subset C_B$이고 $C_B = C_D$이므로,
이다. $(x,1)$이 둘째 부분에 속한다고 가정하면, $(x,1) = (x',0)$을 만족하는 $x' \notin D$가 존재한다. 순서쌍의 상등(정리 3.54)에 의해 $1 = 0$을 얻는데, 이는 2가 서로 다른 두 원소 $0$과 $1$로 이루어진 모임이라는 정리 4.73의 가정에 모순이다. 따라서 $(x,1)$은 첫째 부분에 속해야 하며, $(x,1) = (x',1)$을 만족하는 $x' \in D$가 존재한다. 다시 정리 3.54에 의해 $x = x' \in D$이다. 그러므로 $(x,1) \in \{(x,1):x\in D\}$이다.
역방향의 포함관계 $\{(x,1):x\in D\} \subset \{(x,1):x\in B\}$도, $C_D = C_B$이므로 $B$와 $D$의 역할을 바꾸어 완전히 동일한 논증으로 얻는다.
두 포함관계와 외연공리에 의해
이다. 즉 (4.11)은 (4.12)를 함의한다.
Prove that (4.11) implies (4.12).
Write $C_B := \{(x,1):x\in B\} \cup \{(x,0): x \notin B \text{ and } x \in A\}$ and $C_D := \{(x,1):x\in D\} \cup \{(x,0): x \notin D \text{ and } x \in A\}$. Then (4.11) says $C_B = C_D$. Our goal is to show
First we show $\{(x,1):x\in B\} \subset \{(x,1):x\in D\}$. Let $(x,1) \in \{(x,1):x\in B\}$. Since $\{(x,1):x\in B\} \subset C_B$ and $C_B = C_D$,
Suppose $(x,1)$ belongs to the second part; then there exists $x' \notin D$ such that $(x,1) = (x',0)$. By the equality of ordered pairs (Theorem 3.54), we get $1 = 0$, which contradicts the hypothesis of Theorem 4.73 that 2 is a class consisting of two different elements $0$ and $1$. Thus $(x,1)$ must belong to the first part, i.e. there exists $x' \in D$ such that $(x,1) = (x',1)$. By Theorem 3.54 again, $x = x' \in D$. Therefore $(x,1) \in \{(x,1):x\in D\}$.
The reverse inclusion $\{(x,1):x\in D\} \subset \{(x,1):x\in B\}$ is obtained by the exact same argument with the roles of $B$ and $D$ interchanged, since $C_D = C_B$.
By the two inclusions and the axiom of extent,
That is, (4.11) implies (4.12).
정리 4.73에 의해, 어떤 의미에서 $2^A$와 $\mathcal{P}(A)$를 동일시할 수 있다. 이것이 많은 수학 서적과 논문에서 기호 $2^A$가 $A$의 멱집합을 나타내는 데 널리 사용되는 이유이다.
Due to Theorem 4.73, we can identify $2^A$ and $\mathcal{P}(A)$ in a certain sense. It is the reason why the symbol $2^A$ is widely used to denote the power set of $A$ in many books and articles of mathematics.
$A$가 집합이고 $f : A \to B$가 전사함수이면, $B$는 집합이다.
If $A$ is a set and $f : A \to B$ is a surjective function, then $B$ is a set.
$\{A_i\}_{i \in I}$를 집합들의 첨수족이라 하자. $I$가 집합이라 가정하자. 그러면 $\{A_i : i \in I\}$는 집합이다.
다음과 같이 정의하자.
그러면 $\phi : I \to \{A_i : i \in I\}$는 전사함수이다. 따라서 치환공리에 의해, $\{A_i : i \in I\}$는 집합이다.
Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of sets. Assume that $I$ is a set. Then $\{A_i : i \in I\}$ is a set.
Proof. Define
Then $\phi : I \to \{A_i : i \in I\}$ is a surjective function. Therefore, by the axiom of replacement, $\{A_i : i \in I\}$ is a set.
참고문헌
[1] Pinter, Charles C. A book of set theory. Courier Corporation, 2014.
References
[1] Pinter, Charles C. A book of set theory. Courier Corporation, 2014.