집합은 수학의 거의 모든 대상을 담는 그릇입니다. 이 강에서는 집합 연산을 2강의 논리 연산과 짝지어 이해합니다. “x∈A∩B”는 “x∈A 그리고 x∈B”이고, 집합의 항등식은 논리적 동치를 원소 하나에 적용한 것입니다.
4.1 원소와 부분집합
정의 4.1 (집합). 잘 정의된 대상들의 모임을 집합(set), 그 대상을 원소(element)라 합니다. x가 A의 원소이면 x∈A, 아니면 x∈/A로 씁니다.
집합은 원소를 나열하거나({1,2,3}) 조건으로 씁니다({x∈Z∣x2<10}). 순서와 중복은 상관없습니다: {1,2,2,3}={3,1,2}. 원소가 없는 집합을 공집합(empty set) ∅이라 합니다.
정의 4.2 (부분집합). A의 모든 원소가 B의 원소이면 A⊆B라 씁니다. 기호로는 ∀x(x∈A→x∈B)입니다.
정의 4.3 (집합의 같음). A⊆B이고 B⊆A이면 A=B입니다.
두 집합이 같음을 보이는 표준 방법은 이 정의 그대로 양쪽 포함을 따로 보이는 것입니다. 또 공집합은 모든 집합의 부분집합입니다: x∈∅인 x가 없으므로 조건문 x∈∅→x∈A는 항상 참입니다.
4.2 집합 연산
전체집합 U 안에서 생각합니다.
정의 4.4 (집합 연산).
| 연산 |
정의 |
논리 |
| 합집합(union) A∪B |
{x∣x∈A∨x∈B} |
또는 |
| 교집합(intersection) A∩B |
{x∣x∈A∧x∈B} |
그리고 |
| 여집합(complement) Ac |
{x∈U∣x∈/A} |
부정 |
| 차집합(set difference) A∖B |
{x∣x∈A∧x∈/B} |
A 그리고 B가 아님 |
| 대칭차(symmetric difference) A△B |
(A∖B)∪(B∖A) |
배타적 또는 |
A∩B=∅이면 A와 B는 서로소(disjoint)입니다.
집합 연산을 고르면 그 결과에 해당하는 영역이 칠해집니다이 위젯은 JavaScript가 필요합니다
4.3 집합의 항등식
논리적 동치(1강)를 원소 하나에 적용하면 집합의 항등식이 나옵니다.
정리 4.5 (집합의 항등식). 집합 A,B,C에 대해
- 교환: A∪B=B∪A, A∩B=B∩A
- 결합: (A∪B)∪C=A∪(B∪C), 교집합도 같음
- 분배: A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C), A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C)
- 드모르간: (A∪B)c=Ac∩Bc, (A∩B)c=Ac∪Bc
- 차집합: A∖B=A∩Bc
증명 (드모르간 첫째 식). x∈(A∪B)c⟺¬(x∈A∨x∈B)⟺(x∈/A)∧(x∈/B)⟺x∈Ac∩Bc. 가운데 단계가 논리의 드모르간 법칙입니다. □
4.4 멱집합과 곱집합
정의 4.6 (멱집합). A의 부분집합 전체의 집합을 멱집합(power set) P(A)라 합니다.
예제 4.7. P({a,b})={∅,{a},{b},{a,b}}. 원소가 4개입니다.
정리 4.8. 원소가 n개인 집합의 멱집합은 원소가 2n개입니다.
증명. 부분집합 하나를 고르는 것은 각 원소마다 “넣는다/뺀다”를 정하는 것과 같습니다. 원소마다 2가지이므로 2n가지입니다. □
정의 4.9 (곱집합). A×B={(a,b)∣a∈A, b∈B}. 원소 (a,b)를 순서쌍(ordered pair)이라 하며, 순서가 중요하므로 (1,2)=(2,1)입니다. 예를 들어 {1,2}×{x,y}={(1,x),(1,y),(2,x),(2,y)}입니다.
∣A×B∣=∣A∣⋅∣B∣입니다. 좌표평면 R2=R×R이 대표적인 곱집합입니다.
4.5 원소의 개수
유한집합 A의 원소 개수를 ∣A∣로 씁니다.
정리 4.10 (합집합의 크기). ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣.
증명. ∣A∣+∣B∣는 A∩B의 원소를 두 번 셉니다. 한 번 빼면 모든 원소를 한 번씩 셉니다. □
세 집합으로 늘린 식(포함배제 원리)은 8강에서 다룹니다.
예제 4.11. 1부터 100까지 가운데 2 또는 3의 배수의 개수: 2의 배수 50개, 3의 배수 33개, 6의 배수 16개이므로 50+33−16=67개입니다.
쓰이는 곳. 확률의 사건은 집합이고, 데이터셋·특징 공간·가설 공간도 집합으로 씁니다. 교집합과 합집합의 크기 공식은 확률의 덧셈 법칙 P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B)로 그대로 쓰입니다.
4.6 이 장의 요약
- 집합 연산은 논리 연산과 짝을 이룹니다: ∪–또는, ∩–그리고, c–부정.
- 두 집합이 같음은 양쪽 포함으로 보입니다.
- ∣P(A)∣=2∣A∣, ∣A×B∣=∣A∣∣B∣, ∣A∪B∣=∣A∣+∣B∣−∣A∩B∣.
문제
4.1 [계산] · 확인 문제
U={1,…,10}, A={1,2,3,4,5}, B={4,5,6,7}일 때 각 집합의 원소 개수를 씁니다.
| 집합 |
원소 개수 |
| A∪B |
[?] |
| A∩B |
[?] |
| A∖B |
[?] |
| (A∪B)c |
[?] |
| A△B |
[?] |
정답
풀이
A∪B={1,…,7}(7개), A∩B={4,5}(2개), A∖B={1,2,3}(3개), (A∪B)c={8,9,10}(3개), A△B={1,2,3,6,7}(5개).
4.2 [계산] · 확인 문제
원소가 5개인 집합의 부분집합 가운데 원소가 2개인 것을 뺀 나머지는 몇 개일까요?
힌트 1
부분집합은 모두 25개입니다. 원소 2개짜리는 5개 중 2개를 고르는 수입니다.
정답
풀이
부분집합은 25=32개, 원소가 2개인 것은 (25)=10개이므로 32−10=22개입니다.
4.3 [계산] · 확인 문제
1부터 1000까지의 정수 가운데 5의 배수도 7의 배수도 아닌 것은 몇 개일까요?
힌트 1
정리 4.10으로 “5 또는 7의 배수”의 개수를 구해 1000에서 뺍니다.
정답
풀이
5의 배수 200개, 7의 배수 142개, 35의 배수 28개이므로 5 또는 7의 배수는 200+142−28=314개입니다. 답은 1000−314=686개입니다.
4.4 [개념]
모든 집합 A,B에 대해 성립하는 것을 모두 고릅니다.
- A∖B=A∩Bc
- A∖(A∖B)=A∩B
- (A∖B)∪B=A
- ∅∈P(A)
정답
풀이
1번은 정리 4.5입니다. 2번: x∈A이면서 “A에 있고 B에 없음”이 아니어야 하므로 x∈B, 곧 A∩B입니다. 3번은 (A∖B)∪B=A∪B이고 B⊆A이면 A와 다릅니다. 4번은 공집합이 모든 집합의 부분집합이므로 참입니다.
4.5 [계산]
A={1,2,3}, B={x,y}일 때 P(A×B)의 원소 개수는?
정답
풀이
∣A×B∣=3⋅2=6이므로 ∣P(A×B)∣=26=64입니다.
4.6 [증명]
분배법칙 A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)를 양쪽 포함으로 증명합니다.
풀이
(⊆) x∈A∩(B∪C)이면 x∈A이고 x∈B 또는 x∈C입니다. x∈B이면 x∈A∩B, x∈C이면 x∈A∩C이므로 어느 쪽이든 x∈(A∩B)∪(A∩C)입니다.
(⊇) x∈A∩B이면 x∈A이고 x∈B⊆B∪C이므로 x∈A∩(B∪C)입니다. x∈A∩C인 경우도 같습니다.