§1 Historical Introduction · 역사적 서론

PARADOX 1.1 러셀의 역설 Russell’s paradox (a logical paradox)
한국어
  • $A$가 집합이면 그 원소들 자신도 집합일 수 있다. 예를 들어 직선들의 집합을 생각해보자. 그러면 각 직선 자체가 점들의 집합이다.
  • $A$가 자기 자신의 원소일 가능성, 즉 $A \in A$일 가능성이 있다. 예를 들어 모든 집합의 집합을 생각해보자. 그러면 명백히 모든 집합의 집합은 모든 집합의 집합의 원소이다.
  • $S$를 자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합이라 하자. $S \in S$이거나 $S \notin S$인 두 가지 가능성이 있다.
    • (경우 1) $S \in S$라고 가정하자. 그러면 $S$의 정의에 의해 $S$는 $S$의 원소가 아니게 되는데, 이는 가정 $S \in S$에 모순이다.
    • (경우 2) $S \notin S$라고 가정하자. 그러면 $S$는 자기 자신의 원소가 아닌 집합이다. 따라서 $S \in S$이므로 모순을 얻는다.
English
  • If $A$ is a set, its elements may themselves be sets. For instance, consider a set of lines. Then each line itself is a set of points.
  • There is a possibility that $A$ may be an element of itself, i.e. $A \in A$. For instance, consider the set of all sets. Then obviously, the set of all sets is an element of the set of all sets.
  • Let $S$ denote the set of all sets that are not elements of themselves. There are two possibilities that $S \in S$ or $S \notin S$.
    • (Case 1) Assume that $S \in S$. Then by the definition of $S$, $S$ is not an element of $S$, which is a contradiction to the assumption $S \in S$.
    • (Case 2) Assume that $S \notin S$. Then $S$ is a set which is not an element of $S$ itself. Therefore $S \in S$ and get a contradiction.
EX 1.2 러셀의 역설 해결 Solving Russell’s Paradox
한국어

러셀의 역설을 해결할 방법을 제안하라.

러셀의 역설의 핵심은 "자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합" $S = \{x : x \notin x\}$와 같은 표현을 아무 제약 없이 집합으로 인정한다는 데 있다. 즉 임의의 명제(성질) $S(x)$에 대해 $S(x)$를 만족하는 모든 대상 $x$의 모임을 무조건 집합으로 받아들이면, $S(x) = "x \notin x"$를 취하는 순간 모순에 이른다. 따라서 역설을 피하려면 이러한 무제한적인 집합 구성 자체를 제한해야 한다.

한 가지 방법은, 이미 존재함이 알려진 어떤 집합 $A$ 안에서만 조건 $S(x)$로 원소를 골라내는 것을 허용하는 것이다. 즉 새로운 집합은 오직 $\{x \in A : S(x)\}$의 형태로만 구성할 수 있다고 제한하면, "자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합"과 같은 표현은 $\{x : x \notin x\}$처럼 바탕이 되는 집합 $A$가 없으므로 더 이상 집합으로 인정되지 않는다. 이 경우 러셀의 논증은 역설이 아니라, 임의의 집합 $A$에 대해 $\{x \in A : x \notin x\}$가 $A$의 원소가 될 수 없다는 (참인) 사실을 보여줄 뿐이다.

또 다른 방법은, 집합보다 더 넓은 "모임"이라는 개념을 도입하여 임의의 명제 $S(x)$에 대해 모임 $\{x : S(x)\}$의 구성 자체는 허용하되, 그렇게 얻어진 모임이 반드시 다른 모임의 원소가 되어야 하는 것은 아니라고, 즉 원소가 될 수 없는 "고유모임"일 수 있다고 규정하는 것이다. 이 경우 $S = \{x : x \notin x\}$는 여전히 하나의 모임으로 구성되지만, 결국 $S$가 원소가 아니라는 결론에 이를 뿐 모순은 생기지 않는다.

두 방법 모두 "임의의 성질을 만족하는 모든 대상의 모임은 무조건 집합(혹은 원소)이다"라는 지나치게 관대한 가정을 약화시킴으로써 역설을 해소한다는 공통점이 있다.

English

Suggest a way to solve Russell’s paradox.

The heart of Russell's paradox is that it accepts an expression such as "the set of all sets that are not elements of themselves", $S = \{x : x \notin x\}$, as a set without any restriction. That is, if for every statement (property) $S(x)$ we automatically accept the collection of all objects $x$ satisfying $S(x)$ as a set, then taking $S(x) = "x \notin x"$ immediately leads to a contradiction. Hence, to avoid the paradox we must restrict this unrestricted way of forming sets.

One way is to allow picking out elements by a condition $S(x)$ only from within some set $A$ that is already known to exist. That is, if we only permit forming new sets of the form $\{x \in A : S(x)\}$, then an expression such as "the set of all sets that are not elements of themselves", which like $\{x : x \notin x\}$ has no underlying set $A$, is no longer recognized as a set. Under this restriction, Russell's argument is not a paradox anymore; it merely shows the (true) fact that for any set $A$, $\{x \in A : x \notin x\}$ cannot be an element of $A$.

Another way is to introduce a notion broader than a set, namely a "class", and to allow forming the class $\{x : S(x)\}$ for any statement $S(x)$, while not requiring every such class to be an element of another class, that is, allowing it to be a "proper class" which cannot be an element. In this case $S = \{x : x \notin x\}$ is still formed as a class, but we only conclude that $S$ is not an element; no contradiction arises.

Both approaches resolve the paradox in the same way, by weakening the overly generous assumption that the collection of all objects satisfying an arbitrary property is automatically a set (or an element).

NOTE
한국어

러셀의 역설은 자연스럽게 자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합이 존재하는가라는 질문으로 이어진다. 이 질문에 답하려면 먼저 집합이란 무엇인지 알아야 한다. 여기 또 다른 질문이 있다. "우리는 집합이 무엇인지 엄밀하게 알고 있는가?".

English

Russell’s paradox naturally leads to the question if the set of all sets that are not elements of themselves exists. To answer the question, we should know what set is first. Here is an another question. “Do we know what set is rigorously?”.

DEF 1.3 칸토어의 집합 정의 Cantor’s definition of a set
한국어

칸토어는 집합을 "하나의 전체로 파악될 수 있는, 우리의 지각의 확정적이고 구별 가능한 대상들의 모임"이라고 정의했다. 더 구체적으로, 칸토어는 "만약 우리가 대상들의 어떤 성질을 기술할 수 있다면, 그 성질을 갖는 모든 대상의 집합에 대해서도 말할 수 있다"는 "상식적" 개념을 받아들였다.

English

Cantor defined a set as “a collection of definite distinguishable objects of our perception which can be conceived as a whole”. More specifically, Cantor accepted the “common-sense” notion that “if we can describe a property of objects, then we can also speak of the set of all objects possessing that property.”

PARADOX 1.4 베리의 역설 Berry’s paradox (a semantic paradox)
한국어
  • $T$를 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 있는 모든 자연수의 집합이라 하자.
  • 영어 단어의 개수는 유한하므로 20개 미만인 단어 조합의 개수도 유한하다. 따라서 $T$는 유한집합이다.
  • $T$가 유한집합이므로 $T$의 모든 원소보다 큰 자연수 $N$이 존재한다. 따라서 $T$의 정의에 의해 $N$은 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 있는 자연수가 아니다.
  • 그러나 $N$은 "$N$은 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 없는 자연수이다"라는 방식으로 단어 17개로 기술될 수 있다. 따라서 $N$의 정의에 의해 $N \in T$이고, 이는 $N > N$이라는 모순으로 이어진다.
English
  • Let $T$ be the set of all natural numbers that can be described in fewer than twenty words of the English language.
  • Since there are only a finite number of English words, there are only finitely many combinations of fewer than twenty words. Thus $T$ is a finite set.
  • Since $T$ is a finite set, there exists a natural number $N$ which is greater than all the elements of $T$. Thus by the definition of $T$, $N$ is not an natural number which can be described in fewer than twenty words of the English language.
  • However, $N$ can be described with seventeen words in the way that “$N$ is an natural number which cannot be described in fewer than twenty words of the English language”. Therefore by the definition of $N$, $N \in T$, which leads to the contradiction that $N > N$.
EX 1.5 베리의 역설 해결 Solving Berry’s Paradox
한국어

베리의 역설을 해결할 방법을 제안하라.

베리의 역설이 발생하는 이유는, 자연언어(영어)로 표현되는 임의의 서술을 집합을 정의하는 조건 $S(x)$로 무제한 허용했기 때문이다. "20개 미만의 영어 단어로 기술될 수 있다"는 조건 자체가 자연언어를 이용해 자연언어 표현의 길이를 서술하는 자기지시적 표현이며, 이 때문에 "$N$은 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 없는 자연수이다"라는 17개 단어짜리 서술이 $N$ 자신을 기술하게 되는 모순적 상황이 만들어진다.

이를 해결하는 한 가지 방법은, 집합을 정의하는 데 사용할 수 있는 명제 $S(x)$를 자연언어 전체가 아니라 엄밀하게 정해진 형식 언어로 표현될 수 있는 것으로 제한하는 것이다. 즉 소속 관계 $\in$과 논리 기호 $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$, $\forall$, $\exists$, 그리고 변수만으로 완전히 표현할 수 있는 서술만을 집합을 구성하는 "명제"로 인정한다.

이러한 형식 언어의 관점에서 보면, "영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 있다"는 조건은 애초에 형식 언어로 표현할 수 있는 명제가 아니다 — 이는 대상 $x$ 자체의 성질이 아니라, $x$를 기술하는 영어 문장들에 관한, 즉 언어에 관한 서술이기 때문이다. 따라서 이 조건으로는 집합 $T$가 애초에 구성되지 않으며, 베리의 역설은 나타나지 않는다.

요컨대 베리의 역설과 같은 의미론적 역설은 대상 자체에 관한 형식적 서술(대상 언어)과 그 대상을 기술하는 자연언어(메타 언어)를 뒤섞는 데서 비롯되므로, 집합을 정의하는 조건의 범위를 형식 언어로 한정하여 이 둘을 분리하면 해소된다.

English

Suggest a way to solve Berry’s paradox.

Berry's paradox arises because we allow any statement expressed in a natural language (English) to serve, without restriction, as a condition $S(x)$ defining a set. The very condition "can be described in fewer than twenty words of the English language" is a self-referential expression that uses natural language to describe the length of natural-language descriptions, and this is exactly what produces the contradictory situation in which the seventeen-word description "$N$ is a natural number which cannot be described in fewer than twenty words of the English language" describes $N$ itself.

One way to resolve this is to restrict the statements $S(x)$ that may be used to define a set to those that can be expressed in a precisely fixed formal language, rather than in natural language as a whole. That is, we admit as a "statement" for forming sets only those descriptions that can be expressed entirely by means of the membership relation $\in$, the logical symbols $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$, $\forall$, $\exists$, and variables.

From the point of view of this formal language, the condition "can be described in fewer than twenty words of the English language" is not a statement expressible in the formal language at all, since it is not a property of the object $x$ itself but a statement about the English sentences that describe $x$, that is, a statement about language. Consequently the set $T$ is never formed under this condition, and Berry's paradox does not arise.

In short, semantic paradoxes such as Berry's paradox arise from conflating a formal description of the objects themselves (the object language) with the natural language used to describe those objects (the metalanguage), and restricting the conditions allowed in defining a set to the formal language separates the two and removes the paradox.

NOTE
한국어

역설을 극복하는 방법 중 하나는 공리적 방법이며, 이를 공리적 집합론이라 부른다. 수학에서 공리적 방법은 기원전 300년경 유클리드의 원론(유클리드 기하학)의 등장과 함께 나타났다. 유클리드 기하학을 소개하기에 앞서, 공리와 정의를 구별하기로 한다.

English

One of ways to overcome paradoxes is the axiomatic method and it is called the axiomatic set theory. The axiomatic method in mathematics emerged about 300 B.C. with the appearance of Euclid’s Elements (the Euclidean geometry). Before introducing Euclidean geometry, we distinguish an axiom from definitions.

DEF 1.6 정의와 공리 Definition and Axiom
한국어
  • 공리 또는 공준은 참으로 받아들여지는 명제이다.
  • 정의는 어떤 수학적 용어가 무엇인지를 명확하게 규정하는 조건을 기술함으로써 새로운 용어에 정확한 의미를 부여하는 데 사용된다.
English
  • An axiom or postulate is a statement that is taken to be true.
  • A definition is used to give a precise meaning to a new term by describing a condition which unambiguously qualifies what a mathematical term is.
NOTE
한국어

유클리드의 방법은 직관적으로 그럴듯한 소수의 공리를 가정하고, 이로부터 다른 여러 명제(정리)를 연역하는 것으로 이루어짐을 상기하자.

English

Recall that Euclid’s method consists in assuming a small set of intuitively appealing axioms, and deducing many other propositions (theorems) from these.

DEF 1.7 유클리드 기하학 Euclidean geometry
한국어

유클리드 기하학은 모든 정리("참인 명제")가 소수의 단순한 공리로부터 유도되는 공리적 체계이다. 유클리드 공리를 소개한다.

  1. 임의의 점에서 임의의 점으로 직선을 그을 수 있다.
  2. 유한한 직선을 그 직선 위로 계속 연장할 수 있다.
  3. 임의의 중심과 반지름을 갖는 원을 그릴 수 있다.
  4. 모든 직각은 서로 같다.
  5. (평행선 공준) 한 직선이 두 직선과 만나 같은 쪽의 내각의 합이 두 직각보다 작게 만들면, 그 두 직선은 내각의 합이 두 직각보다 작은 쪽에서 만난다.
English

Euclidean geometry is an axiomatic system where all theorems (”true statements”) are derived from a small number of simple axioms. We introduce the Euclidean Axioms

  1. We can draw a straight line from any point to any point.
  2. We can produce an extension of a finite straight line continuously in a straight line.
  3. We can draw a circle with any centre and radius.
  4. All right angles are equal to one another.
  5. (The parallel postulate) If a straight line falling on two straight lines make the interior angles on the same side less than two right angles, the two straight lines meet on that side on which the angles are less than two right angles.
NOTE
한국어

여기서 점과 직선은 직관적으로는 이해할 수 있지만 무정의 용어이다. 따라서 공리는 몇몇 무정의 용어가 자연스럽게 갖는 성질로 해석할 수 있다.

English

Here a point and a line are undefined notions even though they are intuitively understandable. Thus we may interpret axioms as properties which some undefined notions naturally have.

REM 1.8 비유클리드 기하학 Non-Euclidean Geometries
한국어

평행선 공준을 대체함으로써 쌍곡기하학과 타원기하학과 같은 비유클리드 기하학이 등장하였다.

English

There appeared non-Euclidean geometries such as hyperbolic geometry and elliptic geometry by replacing the parallel postulate.

NOTE
한국어

공리적 집합론의 구성은 유클리드 기하학의 방법에 기초한다. 이에 수학자들은 역설을 극복하기 위해 몇몇 무정의 용어를 갖춘 공리들을 찾아냈으며, 우리는 이러한 공리들과 그로부터 유도되는 정리들을 공부할 것이다.

English

The construction of the axiomatic set theory is based on methods of the Euclidean geometric. Thus mathematicians had found axioms with some undefined notions to overcome paradoxes and we will study these axioms and theorems derived from them.

IDEA 1.9 체르멜로의 발상 Zermelo’s idea
한국어
  • $\in$로 표시되는 하나의 원시 관계가 있다. 즉 $\in$는 무정의 용어이며 직관적으로 소속 관계로 이해된다.
  • 표현식 $x \in Y$는 "$x$는 $Y$의 원소이다"라고 읽는다.
  • 기호 $\in$의 좌우에 놓이는 변수 $x$, $y$, $z$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$를 "집합"이라 부른다.
  • 모든 집합의 원소들 역시 집합으로 간주한다. 다시 말해, 모든 집합은 집합들의 집합으로 간주된다. 보통 소문자 변수 $x$, $y$, $z$는 집합의 원소를 나타내고 대문자 변수 $X$, $Y$, $Z$는 집합을 나타낸다. 그러나 이러한 동일시로 인해 $x \in Y$, $X \in Y$, $Z \in x$와 같은 모든 표현식이 의미를 갖는다.
English
  • There is one primitive relation denoted by $\in$, that is, $\in$ is a undefined notion and it is understood as a membership relation intuitively.
  • The expression $x \in Y$ is to be read “$x$ is an element of $Y$”.
  • The variables $x$, $y$, $z$, $X$, $Y$, $Z$, $\ldots$ which are placed to the right or to the left of the symbol $\in$ are called “sets”.
  • Regard elements of every set to be sets themselves. In other words, every set is considered to be a set of sets. Usually, small variables $x$, $y$, and $z$ denote elements of sets and capital variables $X$, $Y$, and $Z$ indicate sets. However, due to this identification, all expressions such as $x \in Y$, $X \in Y$, $Z \in x$ are meaningful.
NOTE
한국어

집합을 구성하는 가장 자연스러운 방법 중 하나는 어떤 조건을 만족하는 대상들의 모임을 생각하는 것이다. 이 조건을 $S(x)$로 기호화하자. 그러면 집합은 $S(x)$를 만족하는 모든 $x$의 모임으로 주어진다. 이러한 집합의 개념을 아무 제약 없이 받아들이면 역설에 이르게 된다. 예를 들어

$$S(x) = \text{not element of itself (or symbolically } x \notin x)$$

로 정의하고 $S(x)$를 만족하는 모든 집합 $x$의 집합을 생각하면, 우리는 러셀의 역설(역설 1.1)에 빠지게 된다. 따라서 일반적으로는 $S(x)$를 만족하는 모든 $x$의 집합을 구성할 수 없다는 결론에 이른다. 체르멜로는 다음 공리를 제안하였다.

English

One of the most natural ways to construct sets is considering a collection of objects satisfying a condition. We symbolize this condition by $S(x)$. Then a set is given by a collection of all $x$ satisfying $S(x)$. If we adopt this concept of a set without any restrictions, then we are led to paradoxes. For example, if we define

$$S(x) = \text{not element of itself (or symbolically } x \notin x)$$

and consider the set of all sets $x$ satisfying $S(x)$. Then we fall in Russell’s paradox (Paradox 1.1). Therefore, we reach the conclusion that we cannot form the set of all $x$ which satisfy $S(x)$ in general. Zermelo suggested the following axiom.

AXIOM 1.10 체르멜로의 분리공리(axiom of selection) Zermelo’s axiom of selection
한국어

$A$를 집합이라 하고 $S(x)$를 $A$의 모든 $x$에 대해 의미가 있는 $x$에 관한 명제라 하자. 그러면 $A$에서 $S(x)$를 만족하는 원소들로만 이루어진 집합이 존재한다. 이는 관례적으로

$$\{x \in A : S(x)\}$$

로 표시하며, "$S(x)$를 만족하는 $A$의 모든 $x$의 집합"이라고 읽는다.

English

Let $A$ be a set and $S(x)$ be a statement about $x$ which is meaningful for every $x$ in $A$. Then there exists a set which consists of exactly those elements which satisfy $S(x)$ in $A$. It is customarily denoted by

$$\{x \in A : S(x)\}$$

and it is to be read “the set of all $x$ in $A$ such that $S(x)$”.

IDEA 1.11 체르멜로의 발상과 러셀의 역설 Zermelo’s idea and Russell’s paradox
한국어

분리공리는 러셀의 역설을 어떻게 극복하는가? 자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합은 $\{x : x \notin x\}$로 기호화할 수 있음에 유의하자. 그러나 집합 $\{x : x \notin x\}$의 존재성은 분리공리에 의해 보장되지 않는다. 자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합에 대해 존재성이 보장되는 가장 좋은 후보는 다음과 같이 주어진다

$$\{x \in A : x \notin x\},$$

여기서 $A$는 존재함을 보일 수 있는 집합이다. $S = \{x \in A : x \notin x\}$로 표시하자. 그러면 러셀의 논증은 더 이상 역설이 아니다. 실제로 $S \in S$라고 가정하자. 그러면 $S \in S$는 $S \notin S$를 함의한다. 이는 모순이다. 따라서

$$S \notin S. \tag{1.1}$$

다음으로 $S \notin A$임을 주장하고 귀류법을 사용한다. $S \in A$라고 가정하자. 그러면 (1.1)에 의해 $S \notin S$이고 $S \in A$이다. $S$의 정의에 의해 $S \in S$라고 결론지을 수 있는데, 이는 (1.1)에 모순이다. 따라서 $S \notin A$라는 결론에 이르며 역설은 없다. 다시 말해, 러셀의 논증은 임의의 집합 $A$에 대해 집합 $\{x \in A : x \notin x\}$가 $A$의 원소가 될 수 없음을 증명한다.

English

How does the axiom of selection overcome Russell’s paradox? Note that the set of all sets which are not elements of themselves can be symbolized as $\{x : x \notin x\}$. However, the existence of the set $\{x : x \notin x\}$ is not guaranteed by the axiom of selection. The best candidate with the existence for the set of all sets which are not elements of themselves is given by

$$\{x \in A : x \notin x\},$$

where $A$ is a set which can be shown to exist. Denote $S = \{x \in A : x \notin x\}$. Then Russell’s argument is not a paradox anymore. Indeed, assume $S \in S$. Then $S \in S$ implies that $S \notin S$. It is a contradiction. Therefore

$$S \notin S. \tag{1.1}$$

Next we claim that $S \notin A$ and use the reduction to absurdity. Assume that $S \in A$. Then by (1.1), we have $S \notin S$ and $S \in A$. By the definition of $S$, we conclude that $S \in S$, which is contradiction to (1.1). Therefore, we reach the conclusion that $S \notin A$ and there is no paradox. In other words, Russell’s argument proves that for any set $A$, the set $\{x \in A : x \notin x\}$ cannot be an element of $A$.

REM 1.12 너무 큰 집합의 배제 Excluding Too Large Sets
한국어

체르멜로는 자기 자신의 원소가 아닌 모든 집합의 집합과 같은 러셀의 집합을 "너무 크다"고 여겼으며, 역설을 피하기 위해 너무 큰 집합들을 배제하였다.

English

Zermelo considered that Russell’s set such as the set of all sets that are not elements of themselves is “too large” and excluded too large sets to avoid the paradox.

Q 1.13 체르멜로의 발상과 베리의 역설 Zermelo’s Idea and Berry’s Paradox
한국어

여기 또 다른 자연스러운 질문이 있다. 체르멜로의 발상은 베리의 역설(역설 1.4)을 극복하는가? 답은 "아니다"이다. $T$는 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 있는 모든 자연수의 집합임을 상기하자. $\mathbb{N}$을 모든 자연수의 집합이라 하고

$$S(x) = x \text{ can be described in fewer than twenty words of the English language.}$$

라 하자. 그러면 $T = \{x \in \mathbb{N} : S(x)\}$이다. 영어 단어의 개수는 유한하므로 20개 미만인 단어 조합의 개수도 유한함을 상기하자. 따라서 모든 $x \in T$에 대해 $n > x$인 자연수 $n \in \mathbb{N}$이 존재한다. 그러나 $n$은 다음과 같은 방식으로 단어 17개로 기술될 수 있다. "$n$은 영어 단어 20개 미만으로 기술할 수 없는 자연수이다". 이는 명백히 역설이다. 체르멜로는 베리의 역설을 해결하는 만족스러운 답을 내놓지 못했지만, "우리는 "조건" $S(x)$의 유형에 제약을 두어야 한다"는 발상을 제안하였다. 즉, 집합 $\{x \in A : S(x)\}$는 $S(x)$가 모든 $x \in A$에 대해 의미가 있을 때만 구성될 수 있다. 그는 또한 다음과 같은 질문을 제기하였다. "의미가 있다"는 것을 우리는 어떻게 이해하는가? $S(x)$가 의미가 있는지 어떻게 판단하는가?

English

Here is an another natural question. Does Zermelo’s idea overcome Berry’s paradox (Paradox 1.4)? The answer is “no”. Recall that $T$ is the set of all natural numbers that can be described in fewer than twenty words of the English language. Let $\mathbb{N}$ be the set of all natural numbers and

$$S(x) = x \text{ can be described in fewer than twenty words of the English language.}$$

Then $T = \{x \in \mathbb{N} : S(x)\}$. Recall that since there are only a finite number of English words, there are only finitely many combinations of fewer than twenty words. Thus there exists a natural number $n \in \mathbb{N}$ such that $n > x$ for all $x \in T$. However, $n$ can be described with seventeen words in the following way:“$n$ is an natural number which cannot be described in fewer than twenty words of the English language”. Definitely, it is a paradox. Zermelo did not give a satisfactory answer to solve Berry’s paradox but suggested the idea that “we must place restrictions on the type of “conditions” $S(x)$. That is, the set $\{x \in A : S(x)\}$ can be formed only if $S(x)$ is meaningful for every $x \in A$. He also raised the questions: How do we understand “meaningful”? How do we determine whether $S(x)$ is meaningful?

IDEA 1.14 폰 노이만의 발상 Von Neumann’s idea
한국어
  • 체르멜로는 소속 관계 $x \in Y$라는 하나의 무정의 기호만을 사용하였다. 폰 노이만은 집합보다 더 일반적인 모임이라는 무정의 용어를 하나 더 추가하였다. 폰 노이만은 모임을 두 종류, 즉 "원소"와 "고유모임"으로 구별하였다. 여기서 "원소"는 어떤 모임의 원소인 모임으로 정의되고, "고유모임"은 어떤 모임의 원소도 아닌 모임으로 정의된다.
  • 체르멜로는 너무 큰 모든 집합을 배제하였다. 반면 폰 노이만은 너무 큰 집합이 존재하는 것은 허용하되, 그것들이 모임의 원소가 되는 것은 허용하지 않았다.
  • 폰 노이만은 체르멜로의 분리공리를 대체하는 "모임 공리"라는 공리를 제안하였다.
English
  • Zermelo used only one undefined notation called the membership relation $x \in Y$. Von Neumann added one more undefined notion called a class which is more general than a set. Von Neumann distinguished between two kinds of classes, namely “elements” and “proper classes”. Here “elements” are defined to be those classes which are elements of classes and “proper classes” are defined to be those classes which are not elements of any class.
  • Zermelo excluded all too large sets. On the other hand, Von Neumann allowed too large sets to exist but they are not permitted to be elements of classes.
  • Von Neumann suggested an axiom called “the class axiom” which replaces Zermelo’s axiom of selection
AXIOM 1.15 모임 공리 the class axiom
한국어

$S(x)$가 대상 $x$에 관한 임의의 명제라면, $S(x)$를 만족하는 모든 원소 $x$로 이루어진 모임이 존재한다. 다시 말해, $S(x)$가 $x$에 관한 임의의 명제라면 우리는 다음 모임을 구성할 수 있다

$$\{x : x \text{ is an element and } S(x)\}.$$
English

If $S(x)$ is any statement about an object $x$, there exists a class which consists of all those elements $x$ which satisfy $S(x)$. In other words, if $S(x)$ is any statement about $x$, we can form the class

$$\{x : x \text{ is an element and } S(x)\}.$$
NOTE
한국어

모임 공리를 러셀의 역설에 적용해보자. 다음과 같이 표시하자

$$S = \{x : x \text{ is an element and } x \notin x\}.$$

그러면 $S \in S$는 $S \notin S$를 함의하므로 이는 모순이 되어, $S \in S$는 불가능하다. 따라서

$$S \notin S. \tag{1.2}$$

이로부터 $S$는 원소가 아님이 따른다. 실제로 $S$가 원소라면 (1.2)와 $S$의 정의에 의해 $S \in S$가 되는데, 이는 모순이다. 따라서 귀류법에 의해 $S$는 원소가 아니라는 결론을 얻는다. 위 논증에는 역설이 없다. 대신 우리는 $S$가 원소가 아니라는 결론에 이른다.

다음으로 베리의 역설이 모임 공리를 통해 해결되는지 확인해보자. 체르멜로의 질문에 따르면, 성질 $S(x)$에 제약을 준다면 이는 가능하다. 다시 말해, 모임 공리에서 "명제"를 구체적으로 명시할 필요가 있다. 이에 폰 노이만은 형식 언어로 쓸 수 있는 "명제"만을 인정하였다. 여기서 형식 언어의 "명제"란, 명제에 담긴 모든 성질이 일곱 개의 수학 기호 $\in$, $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$ , $\forall$, $\exists$와 변수 $x$, $y$, $z$, $\ldots$만으로 완전히 표현될 수 있음을 의미한다.

English

Apply the class axiom to Russell’s paradox. Denote

$$S = \{x : x \text{ is an element and } x \notin x\}.$$

Then $S \in S$ is impossible since $S \in S$ implies that $S \notin S$, which is a contradiction. Thus we have

$$S \notin S. \tag{1.2}$$

It follows that $S$ is not an element. Indeed, if $S$ is an element, then we have $S \in S$ by (1.2) and the definition of $S$, which is a contradiction. Therefore, by the reduction to absurdity, we conclude that $S$ is not an element. There is no paradox in the above arguments. Instead, we reach the conclusion that $S$ is not an element.

Next we want to check if Berry’s paradox is solved through the class axiom. According to Zermelo’s question, it is possible if we give a restriction on a property $S(x)$. In other words, we need to specify “statements” in the class axiom. Therefore, Von Neumann only admitted “statements” which can be written in the formal language. Here “statements” in the formal language mean that all properties in statements can be expressed entirely in terms of the seven mathematical symbols $\in$, $\vee$, $\wedge$, $\neg$, $\implies$ , $\forall$, $\exists$ and variables $x$, $y$, $z$, $\ldots$.

REM 1.16 칸토어의 낙원과 공리적 접근 Cantor’s Paradise and the Axiomatic Approach
한국어

본 강의에서는 폰 노이만의 발상에 기초한 공리적 이론을 공부할 것이다. 공리를 받아들일지 여부는 스스로 판단할 수 있다. 때로는 공리를 부정함으로써 의미 있는 진전을 이룰 수도 있다. 예를 들어 유클리드 기하학에서 평행선 공준을 부정한 것이 비유클리드 기하학의 발전을 촉발하였다. 그러나 대부분의 현대 수학 이론(특히 해석학 이론)은 공리적 집합론에 기초하고 있음을 유념해야 한다. 힐베르트는 일찍이 "칸토어가 우리를 이끈 낙원에서 우리는 추방되지 않을 것이다"라고 썼다.

English

We will study an axiomatic theory based on Von Neumann’s idea in this lecture. You can determine by yourself if you accept axioms or not. Sometimes, it could make a meaningful progress by denying axioms. For instance, denying the parallel postulate in Euclidean geometry initiated developments of non-Euclidean geometries. However, keep in mind that most modern mathematical theories (especially analysis theories) are based on axiomatic set theories. Hilbert once wrote “We will not be expelled from the paradise into which Cantor has led us”.