§3 Classes and Sets (iii): Indexed Families and Power Sets · 모임과 집합 (iii): 첨수족과 멱집합

DEF 3.66 첨수모임과 모임의 첨수족 (직관적 정의) Index class and indexed family of classes (Intuitive definition)
한국어

모임 $I$의 모든 원소 $i \in I$에 대응하는 모임 $A_i$가 각각 존재하면, $I$를 “첨수모임”이라 한다. 첨수모임 $I$에 대해, $\{A_i : i \in I\}$를 “모임의 첨수족”이라 한다.

English

A class $I$ is called an “index class” if for every element $i \in I$, there exists a corresponding class $A_i$. For an index class $I$, $\{A_i : i \in I\}$ is called an “indexed family of classes”.

DEF 3.67 첨수모임과 모임의 첨수족 (형식적 정의) Index class and indexed family of classes (Formal definition)
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$로 나타내는 모임의 첨수족은 정의역이 $I$인 그래프 $G$이다. 정의역 $I$를 “첨수모임”이라 한다. 각 $i \in I$에 대해, $A_i$를 다음과 같이 정의한다.

$$A_i := \{x : (i, x) \in G\}. \tag{3.16}$$
English

An indexed family of classes denoted by $\{A_i\}_{i \in I}$ is a graph $G$ whose domain is $I$. The domain $I$ is called an “index class”. For each $i \in I$, we define $A_i$ by

$$A_i := \{x : (i, x) \in G\}. \tag{3.16}$$
EXAM 3.68 두 원소 첨수모임 위의 첨수족 An indexed family over a two-element index class
한국어

$I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, $A_2 = \{c, d\}$인 $\{A_i\}_{i \in I}$를 생각하자. 그러면 형식적으로, $\{A_i\}_{i \in I}$는 다음 그래프이다.

$$G = \{(1, a), (1, b), (2, c), (2, d)\}.$$

한편 직관적으로, 모임의 첨수족은 다음과 같이 주어진다.

$$\{A_i : i \in I\} = \{A_1, A_2\} = \{\{a, b\}, \{c, d\}\}.$$
English

Consider $\{A_i\}_{i \in I}$ with $I = \{1, 2\}$, $A_1 = \{a, b\}$, and $A_2 = \{c, d\}$. Then, formally, $\{A_i\}_{i \in I}$ is the graph

$$G = \{(1, a), (1, b), (2, c), (2, d)\}.$$

On the other hand, intuitively, the indexed family of class is given by

$$\{A_i : i \in I\} = \{A_1, A_2\} = \{\{a, b\}, \{c, d\}\}.$$
REM 3.69 직관적 표기와 형식적 표기의 동일시 Identifying the intuitive and the formal notation
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$가 주어지면, (3.16)에 의해 $\{A_i : i \in I\}$를 구성할 수 있다. 한편 $\{A_i : i \in I\}$가 주어지면, 다음 그래프를 구성할 수 있다.

$$G = \{A_i\}_{i \in I} = \{(i, x) : i \in I \quad \text{and} \quad x \in A_i\}.$$

이러한 의미에서 $\{A_i : i \in I\}$와 $\{A_i\}_{i \in I}$를 동일시할 수 있다. 따라서 우리는 두 개념 $\{A_i : i \in I\}$와 $\{A_i\}_{i \in I}$를 구별하지 않는다.

English

If $\{A_i\}_{i \in I}$ is given, then we can construct $\{A_i : i \in I\}$ due to (3.16). On the other hand, if $\{A_i : i \in I\}$ is given, then we can construct the graph

$$G = \{A_i\}_{i \in I} = \{(i, x) : i \in I \quad \text{and} \quad x \in A_i\}.$$

In this sense, we can identify $\{A_i : i \in I\}$ and $\{A_i\}_{i \in I}$. Therefore, we do not distinguish two concepts $\{A_i : i \in I\}$ and $\{A_i\}_{i \in I}$.

DEF 3.70 모임의 첨수족의 합집합과 교집합 Union and intersection of an indexed family of classes
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$를 모임의 첨수족이라 하자.

  • “$A_i$들의 합모임”은 그 첨수족의 적어도 하나의 모임 $A_i$에 속하는 모든 원소로 이루어진 모임이다. 기호로는,
    $$\bigcup_{i \in I} A_i := \{x : \exists j \in I \ni x \in A_j\}.$$
    다시 말해, $x \in \bigcup_{i \in I} A_i$일 필요충분조건은 어떤 $j \in I$에 대해 $x \in A_j$인 것이다.
  • “$A_i$들의 교모임”은 그 첨수족의 모든 모임 $A_i$에 속하는 모든 원소로 이루어진 모임이다. 기호로는,
    $$\bigcap_{i \in I} A_i := \{x : \forall i \in I, \ x \in A_i\}.$$
    다시 말해, $x \in \bigcap_{i \in I} A_i$일 필요충분조건은 모든 $i \in I$에 대해 $x \in A_i$인 것이다.
English

Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of classes.

  • The “union of the classes $A_i$” is the class consisting of all the elements which belong to at least one class $A_i$ of the family. In symbols,
    $$\bigcup_{i \in I} A_i := \{x : \exists j \in I \ni x \in A_j\}.$$
    In other words, $x \in \bigcup_{i \in I} A_i$ iff $x \in A_j$ for some $j \in I$.
  • The “intersection of the classes $A_i$” is the class consisting of all the elements which belong to every class $A_i$ of the family. In symbols,
    $$\bigcap_{i \in I} A_i := \{x : \forall i \in I, \ x \in A_i\}.$$
    In other words, $x \in \bigcap_{i \in I} A_i$ iff $x \in A_i$ for all $i \in I$.
THM 3.71 모임과 비교한 합집합과 교집합 Union and intersection compared with a class
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$를 모임의 첨수족이라 하고 $B$를 모임이라 하자. 그러면

  1. 모든 $i \in I$에 대해 $A_i \subset B$이면,
    $$\bigcup_{i \in I} A_i \subset B$$
  2. 모든 $i \in I$에 대해 $B \subset A_i$이면,
    $$B \subset \bigcap_{i \in I} A_i.$$
  1. 모든 $i \in I$에 대해 $A_i \subset B$라고 하고 $x \in \bigcup_{i \in I} A_i$라 하자. 그러면 $x \in A_j$인 $j \in I$가 존재한다. $A_j \subset B$이므로,
    $$x \in B.$$
  2. 모든 $i \in I$에 대해 $B \subset A_i$라고 하고 $x \in B$라 하자. 그러면 모든 $i \in I$에 대해 $x \in A_i$이다. 마지막으로 $A_i$들의 교모임의 정의에 의해,
    $$x \in \bigcap_{i \in I} A_i.$$
English

Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of classes and $B$ be an class. Then

  1. If $A_i \subset B$ for all $i \in I$, then
    $$\bigcup_{i \in I} A_i \subset B$$
  2. If $B \subset A_i$ for all $i \in I$, then
    $$B \subset \bigcap_{i \in I} A_i.$$
  1. Suppose that $A_i \subset B$ for all $i \in I$ and let $x \in \bigcup_{i \in I} A_i$. Then there exists a $j \in I$ such that $x \in A_j$. Since $A_j \subset B$, we have
    $$x \in B.$$
  2. Suppose that $B \subset A_i$ for all $i \in I$ and let $x \in B$. Then $x \in A_i$ for all $i \in I$. Finally, by the definition of the intersection of the classes $A_i$, we have
    $$x \in \bigcap_{i \in I} A_i.$$
THM 3.72 일반화된 드모르간 법칙 Generalized De Morgan’s Laws
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$를 모임의 첨수족이라 하자. 그러면

  1. $$\left( \bigcup_{i \in I} A_i \right)^c = \bigcap_{i \in I} A_i^c$$
  2. $$\left( \bigcap_{i \in I} A_i \right)^c = \bigcup_{i \in I} A_i^c.$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcup_{i \in I} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcup_{i \in I} A_i \\ &\iff \text{there is no } j \in I \text{ such that } x \in A_j \\ &\iff \forall i \in I, x \notin A_i \\ &\iff \forall i \in I, x \in A_i^c \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in I} A_i^c. \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcap_{i \in I} A_i \\ &\iff \text{there exists a } j \in I \text{ such that } x \notin A_j \\ &\iff \exists j \in I \ni x \in A_j^c \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} A_i^c. \end{aligned}$$
English

Let $\{A_i\}_{i \in I}$ be an indexed family of classes. Then

  1. $$\left( \bigcup_{i \in I} A_i \right)^c = \bigcap_{i \in I} A_i^c$$
  2. $$\left( \bigcap_{i \in I} A_i \right)^c = \bigcup_{i \in I} A_i^c.$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcup_{i \in I} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcup_{i \in I} A_i \\ &\iff \text{there is no } j \in I \text{ such that } x \in A_j \\ &\iff \forall i \in I, x \notin A_i \\ &\iff \forall i \in I, x \in A_i^c \\ &\iff x \in \bigcap_{i \in I} A_i^c. \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcap_{i \in I} A_i \\ &\iff \text{there exists a } j \in I \text{ such that } x \notin A_j \\ &\iff \exists j \in I \ni x \in A_j^c \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} A_i^c. \end{aligned}$$
REM 3.73 원래의 드모르간 법칙만으로는 부족한 이유 Why the original De Morgan’s law is not enough
한국어

원래의 드모르간 법칙, 즉 모든 모임 $A$와 $B$에 대해

$$(A \cup B)^c = A^c \cap B^c$$

그리고

$$(A \cap B)^c = A^c \cup B^c.$$

가 성립함을 상기하자. 다음으로 세 모임 $A_1$, $A_2$, $A_3$를 생각하자. 그러면 원래의 드모르간 법칙을 두 번 적용하면,

$$\begin{aligned} \left( \bigcup_{i=1}^{3} A_i \right)^c := (A_1 \cup A_2 \cup A_3)^c = ((A_1 \cup A_2) \cup A_3)^c &= (A_1 \cup A_2)^c \cap A_3^c \\ &= A_1^c \cap A_2^c \cap A_3^c \\ &=: \left( \bigcap_{i=1}^{3} A_i^c \right). \end{aligned}$$

더욱이, 임의의 $n \in \mathbb{N}$에 대해 원래의 드모르간 법칙을 $n-1$번 적용하면,

$$\left( \bigcup_{i=1}^{n} A_i \right)^c = \left( \bigcap_{i=1}^{n} A_i^c \right).$$

그러나 첨수모임의 원소 개수가 무한할 수 있으므로, 원래의 드모르간 법칙만으로는 일반화된 드모르간 법칙이 성립함을 보장할 수 없다.

English

Recall the original De Morgan’s law, i.e. for all classes $A$ and $B$,

$$(A \cup B)^c = A^c \cap B^c$$

and

$$(A \cap B)^c = A^c \cup B^c.$$

Next let’s consider three classes $A_1$, $A_2$, and $A_3$. Then applying the original De Morgan’s law twice, we have

$$\begin{aligned} \left( \bigcup_{i=1}^{3} A_i \right)^c := (A_1 \cup A_2 \cup A_3)^c = ((A_1 \cup A_2) \cup A_3)^c &= (A_1 \cup A_2)^c \cap A_3^c \\ &= A_1^c \cap A_2^c \cap A_3^c \\ &=: \left( \bigcap_{i=1}^{3} A_i^c \right). \end{aligned}$$

Moreover, for any $n \in \mathbb{N}$, applying the original De Morgan’s law $n - 1$-times, we have

$$\left( \bigcup_{i=1}^{n} A_i \right)^c = \left( \bigcap_{i=1}^{n} A_i^c \right).$$

However, the original De Morgan’s law does not guarantee that the generalized De Morgan’s law since the number of elements of an index class can be infinite.

EX 3.74 가산 첨수모임에 대한 일반화된 드모르간 법칙 Generalized De Morgan’s law over a countable index class
한국어

$\{A_n\}_{i \in \mathbb{N}}$을 모임의 첨수족이라 하자. 원래의 드모르간 법칙을 사용하여 다음을 증명하라.

$$\left( \bigcap_{i=1}^{\infty} A_i \right)^c := \left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c = \left( \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c \right) =: \left( \bigcup_{i=1}^{\infty} A_i^c \right).$$

역주. 원문은 첨수족을 $\{A_n\}_{i \in \mathbb{N}}$로 표기하여 첨자 $n$과 $i$가 서로 일치하지 않는다. 이하에서는 이를 $\mathbb{N}$ 위에 첨수된 하나의 첨수족 $\{A_i\}_{i \in \mathbb{N}}$으로 읽는다.

교모임의 정의, 부정, 명제에 대한 드모르간 법칙(연습문제 2.21), 그리고 합모임의 정의에 의해,

$$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \\ &\iff \neg\left( x \in A_i \ \ \forall i \in \mathbb{N} \right) \\ &\iff \exists i \in \mathbb{N} \ni \neg(x \in A_i) \\ &\iff \exists i \in \mathbb{N} \ni x \in A_i^c \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c. \end{aligned}$$

따라서 외연공리에 의해,

$$\left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c = \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c.$$

위 사슬의 두 번째 동치, 즉 "모든 $i \in \mathbb{N}$에 대해 $x \in A_i$이다"라는 명제의 부정이 "어떤 $i \in \mathbb{N}$에 대해 $x \notin A_i$이다"라는 명제와 같다는 사실은, 두 모임에 대한 원래의 드모르간 법칙 — 명제에 대한 드모르간 법칙(연습문제 2.21)의 $\neg(P \wedge Q) \iff \neg P \vee \neg Q$ — 이 논리곱의 부정을 논리합으로 바꾸는 것과 같은 원리이다. 다만 주의 3.73에서 지적했듯이, 원래의 드모르간 법칙은 유한 번의 적용만으로는 $\mathbb{N}$처럼 원소가 무한히 많은 첨수모임에는 도달할 수 없다. 따라서 위 증명은 연습문제 2.21을 유한 번 반복 적용하는 대신, "모든 $i$에 대해"라는 전칭 명제의 부정이 "어떤 $i$에 대해 그렇지 않다"라는 존재 명제와 동치라는 원리 — 즉 원래의 드모르간 법칙이 임의로 많은(가산 개의) 항에 대해서도 성립하도록 하는 논리적 근거 — 를 직접 사용한다.

English

Let $\{A_n\}_{i \in \mathbb{N}}$ be an indexed family of classes. By using the original De Morgan’s law, prove that

$$\left( \bigcap_{i=1}^{\infty} A_i \right)^c := \left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c = \left( \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c \right) =: \left( \bigcup_{i=1}^{\infty} A_i^c \right).$$

Note. The source denotes the indexed family by $\{A_n\}_{i \in \mathbb{N}}$, where the subscript $n$ does not match the index $i$. Below we read this as a single indexed family $\{A_i\}_{i \in \mathbb{N}}$ indexed over $\mathbb{N}$.

By the definition of the intersection, negation, the De Morgan’s laws for sentences (Exercise 2.21), and the definition of the union,

$$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c &\iff x \notin \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \\ &\iff \neg\left( x \in A_i \ \ \forall i \in \mathbb{N} \right) \\ &\iff \exists i \in \mathbb{N} \ni \neg(x \in A_i) \\ &\iff \exists i \in \mathbb{N} \ni x \in A_i^c \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c. \end{aligned}$$

Therefore by the axiom of extent,

$$\left( \bigcap_{i \in \mathbb{N}} A_i \right)^c = \bigcup_{i \in \mathbb{N}} A_i^c.$$

The second equivalence above — that the negation of “$x \in A_i$ for all $i \in \mathbb{N}$” equals “$x \notin A_i$ for some $i \in \mathbb{N}$” — is the same principle as the original De Morgan’s law for two classes, i.e. the statement $\neg(P \wedge Q) \iff \neg P \vee \neg Q$ of the De Morgan’s laws for sentences (Exercise 2.21), which turns the negation of a conjunction into a disjunction. However, as Remark 3.73 points out, the original De Morgan’s law cannot reach an index class with infinitely many elements, such as $\mathbb{N}$, by finitely many applications alone. Thus the proof above does not repeat Exercise 2.21 finitely many times; instead it directly uses the principle that negating a universally quantified statement “for all $i$” is equivalent to an existentially quantified statement “for some $i$, not” — the logical fact that lets the original De Morgan’s law extend to arbitrarily many (countably many) terms.

THM 3.75 일반화된 분배법칙 Generalized Distributive Laws
한국어

$\{A_i\}_{i \in I}$와 $\{B_j\}_{j \in J}$를 모임의 첨수족이라 하자. 그러면

  1. $$\left( \bigcup_{i \in I} A_i \right) \cap \left( \bigcup_{j \in J} B_j \right) = \bigcup_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cap B_j)$$
  2. $$\left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \cup \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) = \bigcap_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cup B_j).$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcup_{i \in I} A_i \right) \cap \left( \bigcup_{j \in J} B_j \right) &\iff x \in \bigcup_{i \in I} A_i \quad \text{and} \quad x \in \bigcup_{j \in J} B_j \\ &\iff \exists\, h \in I \ni x \in A_h \quad \text{and} \quad \exists\, k \in J \ni x \in B_k \\ &\iff \exists\, h \in I \text{ and } \exists k \in J \ni x \in A_h \text{ and } x \in B_k \\ &\iff \exists\, (h, k) \in I \times J \ni x \in A_h \cap B_k \\ &\iff x \in \bigcup_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cap B_j). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \cup \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) &\iff x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \text{ or } \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) \\ &\iff x \in A_i \ \forall i \in I \text{ or } x \in B_j \ \forall j \in J \\ &\iff x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \\ &\iff x \in A_i \cup B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \\ &\iff \bigcap_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cup B_j). \end{aligned}$$
English

Let $\{A_i\}_{i \in I}$ and $\{B_j\}_{j \in J}$ be indexed families of classes. Then

  1. $$\left( \bigcup_{i \in I} A_i \right) \cap \left( \bigcup_{j \in J} B_j \right) = \bigcup_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cap B_j)$$
  2. $$\left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \cup \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) = \bigcap_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cup B_j).$$
  1. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcup_{i \in I} A_i \right) \cap \left( \bigcup_{j \in J} B_j \right) &\iff x \in \bigcup_{i \in I} A_i \quad \text{and} \quad x \in \bigcup_{j \in J} B_j \\ &\iff \exists\, h \in I \ni x \in A_h \quad \text{and} \quad \exists\, k \in J \ni x \in B_k \\ &\iff \exists\, h \in I \text{ and } \exists k \in J \ni x \in A_h \text{ and } x \in B_k \\ &\iff \exists\, (h, k) \in I \times J \ni x \in A_h \cap B_k \\ &\iff x \in \bigcup_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cap B_j). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \cup \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) &\iff x \in \left( \bigcap_{i \in I} A_i \right) \text{ or } \left( \bigcap_{j \in J} B_j \right) \\ &\iff x \in A_i \ \forall i \in I \text{ or } x \in B_j \ \forall j \in J \\ &\iff x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \\ &\iff x \in A_i \cup B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \\ &\iff \bigcap_{(i,j) \in I \times J} (A_i \cup B_j). \end{aligned}$$
EX 3.76 일반화된 분배법칙에서의 대우 단계 The contrapositive step in the generalized distributive law
한국어

대우를 사용하여 다음을 증명하라.

$$x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \implies x \in A_i \ \forall i \in I \text{ or } x \in B_j \ \forall j \in J.$$

대우를 이용한다. 즉 다음을 증명하면 충분하다.

$$\neg\Big( x \in A_i \ \forall i \in I \ \text{ or } \ x \in B_j \ \forall j \in J \Big) \implies \neg\Big( x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \Big).$$

위 대우의 좌변, 즉 원래 함의의 결론의 부정을 가정하자. 명제에 대한 드모르간 법칙(연습문제 2.21)에 의해,

$$\neg\left( x \in A_i \ \forall i \in I \right) \quad \text{and} \quad \neg\left( x \in B_j \ \forall j \in J \right),$$

$$\exists i_0 \in I \ni x \notin A_{i_0} \qquad \text{and} \qquad \exists j_0 \in J \ni x \notin B_{j_0}$$

이다. 이 $i_0$와 $j_0$에 대해 $(i_0, j_0) \in I \times J$이고, $x \notin A_{i_0}$이고 $x \notin B_{j_0}$이므로 다시 명제에 대한 드모르간 법칙(연습문제 2.21)에 의해,

$$\neg\left( x \in A_{i_0} \text{ or } x \in B_{j_0} \right)$$

이다. 따라서 "$x \in A_i$ 또는 $x \in B_j$"가 어떤 $(i,j) = (i_0, j_0) \in I \times J$에 대해 성립하지 않으므로,

$$\neg\left( x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \right)$$

을 얻는다. 이는 원하는 대우이므로 증명이 끝난다.

English

By using the contrapositive, prove that

$$x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \implies x \in A_i \ \forall i \in I \text{ or } x \in B_j \ \forall j \in J.$$

We use the contrapositive. That is, it suffices to prove

$$\neg\Big( x \in A_i \ \forall i \in I \ \text{ or } \ x \in B_j \ \forall j \in J \Big) \implies \neg\Big( x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \Big).$$

Assume the left side of this contrapositive, i.e. the negation of the conclusion of the original implication. By the De Morgan’s laws for sentences (Exercise 2.21),

$$\neg\left( x \in A_i \ \forall i \in I \right) \quad \text{and} \quad \neg\left( x \in B_j \ \forall j \in J \right),$$

i.e.

$$\exists i_0 \in I \ni x \notin A_{i_0} \qquad \text{and} \qquad \exists j_0 \in J \ni x \notin B_{j_0}.$$

For these $i_0$ and $j_0$, $(i_0, j_0) \in I \times J$, and since $x \notin A_{i_0}$ and $x \notin B_{j_0}$, again by the De Morgan’s laws for sentences (Exercise 2.21),

$$\neg\left( x \in A_{i_0} \text{ or } x \in B_{j_0} \right).$$

Thus “$x \in A_i$ or $x \in B_j$” fails for some $(i,j) = (i_0, j_0) \in I \times J$, so

$$\neg\left( x \in A_i \text{ or } x \in B_j \quad \forall (i, j) \in I \times J \right).$$

This is the desired contrapositive, and the proof is complete.

THM 3.77 그래프 합집합의 정의역과 치역 Domain and range of a union of graphs
한국어

$\{G_i\}_{i \in I}$를 그래프들의 족이라 하자. 그러면

  1. $$dom \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) = \bigcup_{i \in I} (dom \ G_i)$$
  2. $$ran \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) = \bigcup_{i \in I} (ran \ G_i).$$
  1. $$\begin{aligned} x \in dom \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) &\iff \exists y \ni (x, y) \in \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) \\ &\iff \exists y \ni (\exists j \in I \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists\, (y \text{ and } j \in I) \ni (x, y) \in G_j \\ &\iff \exists j \in I \ni (\exists y \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni (x \in dom \ G_j) \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} (dom \ G_i). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} y \in ran \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) &\iff \exists x \ni (x, y) \in \bigcup_{i \in I} G_i \\ &\iff \exists x \ni (\exists j \in I \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni (\exists x \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni y \in ran \ G_j \\ &\iff y \in \bigcup_{i \in I} (ran \ G_i). \end{aligned}$$
English

Let $\{G_i\}_{i \in I}$ be a family of graphs. Then

  1. $$dom \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) = \bigcup_{i \in I} (dom \ G_i)$$
  2. $$ran \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) = \bigcup_{i \in I} (ran \ G_i).$$
  1. $$\begin{aligned} x \in dom \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) &\iff \exists y \ni (x, y) \in \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) \\ &\iff \exists y \ni (\exists j \in I \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists\, (y \text{ and } j \in I) \ni (x, y) \in G_j \\ &\iff \exists j \in I \ni (\exists y \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni (x \in dom \ G_j) \\ &\iff x \in \bigcup_{i \in I} (dom \ G_i). \end{aligned}$$
  2. $$\begin{aligned} y \in ran \left( \bigcup_{i \in I} G_i \right) &\iff \exists x \ni (x, y) \in \bigcup_{i \in I} G_i \\ &\iff \exists x \ni (\exists j \in I \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni (\exists x \ni (x, y) \in G_j) \\ &\iff \exists j \in I \ni y \in ran \ G_j \\ &\iff y \in \bigcup_{i \in I} (ran \ G_i). \end{aligned}$$
DEF 3.78 모임의 합집합과 교집합 The union and the intersection of a class
한국어

$\mathscr{A}$를 모임이라 하자.

  1. “$\mathscr{A}$의 합모임”을 어떤 모임 $A \in \mathscr{A}$에 포함되는 모든 원소로 이루어진 모임으로 정의한다. 기호로는,
    $$\bigcup_{A \in \mathscr{A}} A := \{x : \exists A \in \mathscr{A} \ni x \in A\}.$$
    다시 말해, $x \in \bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$일 필요충분조건은 어떤 모임 $A \in \mathscr{A}$에 대해 $x \in A$인 것이다.
  2. “$\mathscr{A}$의 교모임”을 모든 모임 $A \in \mathscr{A}$에 포함되는 모든 원소로 이루어진 모임으로 정의한다. 기호로는,
    $$\bigcap_{A \in \mathscr{A}} A := \{x : x \in A \quad \forall A \in \mathscr{A}\}.$$
    다시 말해, $x \in \bigcap_{A \in \mathscr{A}} A$일 필요충분조건은 모든 모임 $A \in \mathscr{A}$에 대해 $x \in A$인 것이다.
English

Let $\mathscr{A}$ be a class.

  1. We define “the union of $\mathscr{A}$” to be the class of all elements which are contained for some class $A \in \mathscr{A}$. In symbols,
    $$\bigcup_{A \in \mathscr{A}} A := \{x : \exists A \in \mathscr{A} \ni x \in A\}.$$
    In other words, $x \in \bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$ iff $x \in A$ for some class $A \in \mathscr{A}$.
  2. We define “the intersection of $\mathscr{A}$” to be the class of all elements which are contained for all classes $A \in \mathscr{A}$. In symbols,
    $$\bigcap_{A \in \mathscr{A}} A := \{x : x \in A \quad \forall A \in \mathscr{A}\}.$$
    In other words, $x \in \bigcap_{A \in \mathscr{A}} A$ iff for every class $A \in \mathscr{A}$, $x \in A$ .
NOTATION 3.79 모임의 합집합과 교집합의 약식 표기 Shorthand for the union and the intersection of a class
한국어

때로는 $\bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$와 $\bigcap_{A \in \mathscr{A}} A$ 대신 간단히 $\bigcup \mathscr{A}$와 $\bigcap \mathscr{A}$를 사용한다. 즉,

$$\bigcup \mathscr{A} := \bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$$

그리고

$$\bigcap \mathscr{A} := \bigcap_{A \in \mathscr{A}} A.$$
English

Sometimes, we simply use $\bigcup \mathscr{A}$ and $\bigcap \mathscr{A}$ instead of $\bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$ and $\bigcap_{A \in \mathscr{A}} A$, i.e.

$$\bigcup \mathscr{A} := \bigcup_{A \in \mathscr{A}} A$$

and

$$\bigcap \mathscr{A} := \bigcap_{A \in \mathscr{A}} A.$$
REM 3.80 모임의 교집합이 집합이 되는 경우 When the intersection of a class is a set
한국어

$\mathscr{A}$를 모임이라 하자. 만약 집합인 $A \in \mathscr{A}$가 존재하면, 부분집합 공리에 의해 $\bigcap \mathscr{A}$는 집합이다.

English

Let $\mathscr{A}$ be a class. If there exists a set $A \in \mathscr{A}$, then $\bigcap \mathscr{A}$ is a set by the axiom of subset.

AXIOM 3.81 합집합 공리 Axiom of union
한국어

만약 $\mathscr{A}$가 집합들로 이루어진 집합이면, $\bigcup \mathscr{A}$는 집합이다.

English

If $\mathscr{A}$ is a set of sets, then $\bigcup \mathscr{A}$ is a set.

EXAM 3.82 두 집합의 합집합은 집합이다 The union of two sets is a set
한국어

$a$와 $b$를 집합이라 하자. 그러면 모임 $\{a, b\}$를 생각할 수 있고 $c := \{a, b\}$라고 표기하자. 그러면 짝공리에 의해 $\{a, b\}$는 집합이다. 더욱이 다음을 관찰하자.

$$\bigcup c = \bigcup_{A \in c} A = a \cup b.$$

따라서 합집합 공리에 의해, $a \cup b$는 집합이다.

English

Let $a$ and $b$ sets. Then we can consider the class $\{a, b\}$ and denote $c := \{a, b\}$. Then by the axiom the doubleton, $\{a, b\}$ is a set. Moreover, observe that

$$\bigcup c = \bigcup_{A \in c} A = a \cup b.$$

Therefore by the axiom of union, $a \cup b$ is a set.

DEF 3.83 멱집합 The power set
한국어

$A$를 집합이라 하자. $A$의 “멱집합”이란 $A$의 모든 부분모임으로 이루어진 모임을 뜻한다. 기호로는, $A$의 멱집합은 $\mathcal{P}(A)$로 표기하며 다음과 같이 주어진다.

$$\mathcal{P}(A) = \{B : B \subset A\}.$$

부분집합 공리에 의해, 멱집합은 $B \subset A$를 만족하는 모든 집합 $B$로 이루어진 모임이다.

English

Let $A$ be a set. By the “power set” of $A$, we mean the class of all the subclasses of $A$. In symbols, the power set of $A$ is denoted by $\mathcal{P}(A)$ and given by

$$\mathcal{P}(A) = \{B : B \subset A\}.$$

Due to the axiom of subset, the power set is the class of all the sets $B$ which satisfy $B \subset A$.

REM 3.84 멱집합은 원래 집합보다 크다 The power set is larger than the set itself
한국어

두 모임 $A$와 $B$를 생각하자. $A \subset B$이면, “모임 $B$가 모임 $A$보다 크다”라고 말할 수 있다. 다음으로 집합 $C$를 생각하자. 일반적으로 $C \subset \mathcal{P}(C)$는 성립하지 않는다. 그러나 $C$의 멱집합의 정의에 의해, 모든 $a \in C$에 대해 $\{a\} \in \mathcal{P}(C)$이다. 이러한 의미에서, $C$의 멱집합이 $C$보다 크다고 말할 수 있다. 따라서 $C$가 집합이더라도 $\mathcal{P}(C)$가 집합이라는 보장은 없다.

English

Consider two classes $A$ and $B$. If $A \subset B$, then we may say that “the class $B$ is larger than the class $A$”. Next consider a set $C$. Generally, it is not true that $C \subset \mathcal{P}(C)$. However, by the definition of the power set of $C$, $\{a\} \in \mathcal{P}(C)$ for all $a \in C$. In this sense, we may say that the power set of $C$ is larger than $C$. Therefore, there is no guarantee that $\mathcal{P}(C)$ is a set even though $C$ is a set.

AXIOM 3.85 멱집합 공리 Axiom of power set
한국어

$A$가 집합이면, $A$의 멱집합은 집합이다.

English

If $A$ is a set, then the power set of $A$ is a set.

THM 3.86 두 집합의 데카르트 곱은 집합이다 The Cartesian product of two sets is a set
한국어

$A$와 $B$를 집합이라 하자. 그러면 $A \times B$는 집합이다.

다음을 상기하자.

$$A \times B = \{(x, y) : x \in A \quad \text{and} \quad y \in B\}$$

그리고

$$(x, y) = \{\{x\}, \{x, y\}\}.$$

다음을 주장한다.

$$A \times B \subset \mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]. \tag{3.17}$$

$(x, y) \in A \times B$라 하자. $\{x\} \subset A \subset A \cup B$이고 $\{x, y\} \subset A \cup B$이므로, $A \cup B$의 멱집합의 정의에 의해 $\{x\} \in \mathcal{P}(A \cup B)$이고 $\{x, y\} \in \mathcal{P}(A \cup B)$이다. 따라서

$$\{\{x\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B), \ \{\{x, y\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B), \ \text{and} \ \{\{x\}, \{x, y\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B).$$

더욱이 멱집합의 정의에 의해,

$$\{\{x\}, \{x, y\}\} \in \mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]. \tag{3.18}$$

따라서 주장이 증명되었다. 합집합 공리와 멱집합 공리에 의해 $\mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]$는 집합임에 유의하라. 마지막으로 부분집합 공리와 (3.17)에 의해, $A \times B$는 집합이다.

English

Let $A$ and $B$ sets. Then $A \times B$ is a set.

Recall that

$$A \times B = \{(x, y) : x \in A \quad \text{and} \quad y \in B\}$$

and

$$(x, y) = \{\{x\}, \{x, y\}\}.$$

We claim

$$A \times B \subset \mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]. \tag{3.17}$$

Let $(x, y) \in A \times B$. Since $\{x\} \subset A \subset A \cup B$ and $\{x, y\} \subset A \cup B$, by the definition of the power set of $A \cup B$, $\{x\} \in \mathcal{P}(A \cup B)$ and $\{x, y\} \in \mathcal{P}(A \cup B)$. Thus

$$\{\{x\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B), \ \{\{x, y\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B), \ \text{and} \ \{\{x\}, \{x, y\}\} \subset \mathcal{P}(A \cup B).$$

Moreover by the definition of the power set, we have

$$\{\{x\}, \{x, y\}\} \in \mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]. \tag{3.18}$$

Therefore, the claim is proved. Note that by the axiom of union and the axiom of power set, $\mathcal{P} \left[ \mathcal{P}(A \cup B) \right]$ is a set. Finally by the axiom of subset and (3.17), $A \times B$ is a set

COR 3.87 데카르트 곱의 합집합은 집합이다 The union of a Cartesian product is a set
한국어

$A$와 $B$를 집합이라 하자. 그러면 $\bigcup (A \times B)$는 집합이다.

정리 3.86에 의해, $A \times B$는 집합이다. 따라서 합집합 공리에 의해, $\bigcup (A \times B)$는 집합이다.

English

Let $A$ and $B$ sets. Then $\bigcup (A \times B)$ is a set.

By Theorem 3.86, $A \times B$ is a set. Thus by the axiom of union, $\bigcup (A \times B)$ is a set.

COR 3.88 두 순서쌍으로 만든 모임은 집합이다 A class built from two ordered pairs is a set
한국어

$A$와 $B$를 집합이라 하자. 그러면 모든 $a_1, a_2 \in A$와 $b_1, b_2 \in B$에 대해,

$$\{\{a_1\}, \{a_2\}, \{a_1, b_1\}, \{a_2, b_2\}\}$$

는 집합이다.

$(a_1, b_1) \in A \times B$이고 $(a_2, b_2) \in A \times B$이므로,

$$(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) \subset \bigcup (A \times B).$$

따름정리 3.87에 의해 $\bigcup (A \times B)$가 집합임을 상기하라. 따라서 부분집합 공리에 의해 $(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2)$는 집합이다. 더욱이 순서쌍의 정의에 의해,

$$(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) = \{\{a_1\}, \{a_1, b_1\}\} \cup \{\{a_2\}, \{a_2, b_2\}\}.$$

마지막으로 합집합의 정의와 외연공리에 의해,

$$\begin{aligned} \{\{a_1\}, \{a_2\}, \{a_1, b_1\}, \{a_2, b_2\}\} &= \{\{a_1\}, \{a_1, b_1\}\} \cup \{\{a_2\}, \{a_2, b_2\}\} \\ &= (a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) \end{aligned}$$

는 집합이다.

English

Let $A$ and $B$ sets. Then for all $a_1, a_2 \in A$ and $b_1, b_2 \in B$,

$$\{\{a_1\}, \{a_2\}, \{a_1, b_1\}, \{a_2, b_2\}\}$$

is a set.

Since $(a_1, b_1) \in A \times B$ and $(a_2, b_2) \in A \times B$,

$$(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) \subset \bigcup (A \times B).$$

Recall that $\bigcup (A \times B)$ is a set by Corollary 3.87. Thus by the axiom of subset, $(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2)$ is a set. Moreover, by the definition of the ordered pair,

$$(a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) = \{\{a_1\}, \{a_1, b_1\}\} \cup \{\{a_2\}, \{a_2, b_2\}\}.$$

Finally, by the definition of union and the axiom of extent, we have

$$\begin{aligned} \{\{a_1\}, \{a_2\}, \{a_1, b_1\}, \{a_2, b_2\}\} &= \{\{a_1\}, \{a_1, b_1\}\} \cup \{\{a_2\}, \{a_2, b_2\}\} \\ &= (a_1, b_1) \cup (a_2, b_2) \end{aligned}$$

is a set.

EX 3.89 집합인 그래프의 정의역과 치역 Domain and range of a graph which is a set
한국어

$G$를 그래프라 하자. $G$가 집합이라고 가정하자. 다음을 증명하라.

  1. $dom \ G$는 집합이다
  2. $Ran \ G$는 집합이다

(힌트: $\bigcup(\bigcup G)$를 생각하라.)

역주. 원문의 (2)는 치역을 $Ran \ G$로 대문자 표기하고 있으나, 정의 3.63의 $\mathit{ran}\ G$와 같은 것을 뜻한다. 이하에서는 $\mathit{ran}\ G$로 쓴다.

$G$가 그래프이므로, $G$의 모든 원소는 어떤 원소 $x$, $y$에 대해 순서쌍 $(x,y) = \{\{x\}, \{x,y\}\}$의 꼴이다(정의 3.47). 모임의 원소는 그 자체로 원소, 즉 집합이므로(정의 3.3), $G$의 각 원소 $(x,y)$는 집합이다. 이를 $G$가 집합이라는 가정과 결합하면 $G$는 집합들로 이루어진 집합이다. 따라서 합집합 공리(공리 3.81)에 의해 $\bigcup G$는 집합이다.

다음으로,

$$\bigcup G = \{z : \exists (x,y) \in G \ni z \in (x,y)\} = \{\{x\} : \exists y,\ (x,y) \in G\} \cup \{\{x,y\} : (x,y) \in G\}$$

이므로, $\bigcup G$의 원소는 정확히 $G$의 원소 $(x,y)$들로부터 나오는 $\{x\}$ 꼴과 $\{x,y\}$ 꼴의 모임들이다. 이들 역시 모임 $\bigcup G$의 원소이므로 정의 3.3에 의해 집합이다. 이를 $\bigcup G$가 집합이라는 사실과 결합하면 $\bigcup G$ 역시 집합들로 이루어진 집합이다. 따라서 합집합 공리를 다시 적용하면 $\bigcup(\bigcup G)$는 집합이다.

이제 다음을 보인다.

  1. $x \in \mathit{dom}\ G$라 하자. 정의역의 정의(정의 3.63)에 의해 $(x,y) \in G$인 $y$가 존재한다. $(x,y) = \{\{x\},\{x,y\}\}$이므로 $\{x\} \in (x,y)$이고, 따라서 $\{x\} \in \bigcup G$이다. 또한 $x \in \{x\}$이므로, $\bigcup(\bigcup G)$의 정의에 의해 $x \in \bigcup(\bigcup G)$이다. 그러므로
    $$\mathit{dom}\ G \subset \bigcup(\bigcup G).$$
    $\bigcup(\bigcup G)$가 집합이므로, 부분집합 공리(공리 3.51)에 의해 $\mathit{dom}\ G$는 집합이다.
  2. $y \in \mathit{ran}\ G$라 하자. 치역의 정의(정의 3.63)에 의해 $(x,y) \in G$인 $x$가 존재한다. $(x,y) = \{\{x\},\{x,y\}\}$이므로 $\{x,y\} \in (x,y)$이고, 따라서 $\{x,y\} \in \bigcup G$이다. 또한 $y \in \{x,y\}$이므로, $\bigcup(\bigcup G)$의 정의에 의해 $y \in \bigcup(\bigcup G)$이다. 그러므로
    $$\mathit{ran}\ G \subset \bigcup(\bigcup G).$$
    $\bigcup(\bigcup G)$가 집합이므로, 부분집합 공리(공리 3.51)에 의해 $\mathit{ran}\ G$는 집합이다.
English

Let $G$ be a graph. Assume that $G$ is a set. Prove

  1. $dom \ G$ is a set
  2. $Ran \ G$ is a set

(Hint: Consider $\bigcup(\bigcup G)$).

Note. Item (2) of the source writes the range as $Ran \ G$ with a capital letter, but it means the same class as $\mathit{ran}\ G$ of Definition 3.63. Below we write $\mathit{ran}\ G$.

Since $G$ is a graph, every element of $G$ is of the form $(x,y) = \{\{x\}, \{x,y\}\}$ for some elements $x$, $y$ (Definition 3.47). An element of a class is itself an element, i.e. a set (Definition 3.3), so each element $(x,y)$ of $G$ is a set. Combining this with the assumption that $G$ is a set, $G$ is a set of sets. Therefore by the axiom of union (Axiom 3.81), $\bigcup G$ is a set.

Next,

$$\bigcup G = \{z : \exists (x,y) \in G \ni z \in (x,y)\} = \{\{x\} : \exists y,\ (x,y) \in G\} \cup \{\{x,y\} : (x,y) \in G\}$$

so the elements of $\bigcup G$ are precisely the classes of the form $\{x\}$ and $\{x,y\}$ arising from the elements $(x,y)$ of $G$. These, too, are elements of the class $\bigcup G$, hence sets by Definition 3.3. Combining this with the fact that $\bigcup G$ is a set, $\bigcup G$ is again a set of sets. Therefore, applying the axiom of union once more, $\bigcup(\bigcup G)$ is a set.

We now show the following.

  1. Let $x \in \mathit{dom}\ G$. By the definition of the domain (Definition 3.63), there exists $y$ such that $(x,y) \in G$. Since $(x,y) = \{\{x\},\{x,y\}\}$, $\{x\} \in (x,y)$, and thus $\{x\} \in \bigcup G$. Moreover $x \in \{x\}$, so by the definition of $\bigcup(\bigcup G)$, $x \in \bigcup(\bigcup G)$. Therefore
    $$\mathit{dom}\ G \subset \bigcup(\bigcup G).$$
    Since $\bigcup(\bigcup G)$ is a set, $\mathit{dom}\ G$ is a set by the axiom of subset (Axiom 3.51).
  2. Let $y \in \mathit{ran}\ G$. By the definition of the range (Definition 3.63), there exists $x$ such that $(x,y) \in G$. Since $(x,y) = \{\{x\},\{x,y\}\}$, $\{x,y\} \in (x,y)$, and thus $\{x,y\} \in \bigcup G$. Moreover $y \in \{x,y\}$, so by the definition of $\bigcup(\bigcup G)$, $y \in \bigcup(\bigcup G)$. Therefore
    $$\mathit{ran}\ G \subset \bigcup(\bigcup G).$$
    Since $\bigcup(\bigcup G)$ is a set, $\mathit{ran}\ G$ is a set by the axiom of subset (Axiom 3.51).