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集合の濃度と可算性md e318e0d
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集合しゅうごうset濃度のうどcardinality可算性かさんせいcountability

date2026-07-14document_iddoc_4bd9109b21ed84b5ada20f1743c7cbcedescription集合の濃度を全単射で比較する考え方として導入し、有限集合、可算集合、非可算集合の違いを整理する講義である。prerequisites命題・述語と量化 / 証明法と反例 / 集合の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/discrete-math/discrete-mathematics-portal.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/set-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/power-set-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/mathematical-induction-and-recursive-definitions.lecture.n.md / data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md / data/exercise/math/discrete-math/sets-and-set-operations.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

集合しゅうごうsetおおきさsizeくらべるとき、有限集合ゆうげんしゅうごうならげんelement個数こすうかぞえればよい。しかし無限集合むげんしゅうごうでは、かぞえることができない。そこで重要じゅうようになる発想はっそうは、「一対一対応いちたいいちたいおうつくれるならおなおおきさとなす」である。

この見方みかたでは、濃度のうどcardinality全単射ぜんたんしゃbijectionによって比較ひかくされる。全単射ぜんたんしゃbijectionあまりもかさなりもない対応たいおうcorrespondenceなので、げんelementを 1 つずつ対応たいおうさせるかぞかた抽象化ちゅうしょうかである。

濃度のうどcardinalityくらべるときは、おおきさではなく全単射ぜんたんしゃbijection使つかう。無限集合むげんしゅうごうでは、かぞげられるかどうかと、対角線論法たいかくせんろんぽう列挙れっきょやぶれるかどうかが境界きょうかいになる。

順序上じゅんじょじょう注意ちゅういとして、写像しゃぞうmap単射たんしゃinjection全射ぜんしゃsurjection全単射ぜんたんしゃbijection正式せいしき講義こうぎあとにある。このページでは、写像しゃぞうを「かく入力にゅうりょく出力しゅつりょくを 1 つてる規則きそく」、単射たんしゃを「かさなりがない」、全射ぜんしゃを「あまりがない」、全単射ぜんたんしゃを「かさなりもあまりもない」として最小限さいしょうげん使つかう。

2用語ようご定義ていぎ

集合しゅうごうset A,Bあいだ全単射ぜんたんしゃbijection AB存在そんざいするとき、ABおな濃度のうどcardinalityつという。

n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0たいし、[n]={1,2,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")],n}く。ただし [0]=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"varnothing\")")]さだめる。集合しゅうごうset A有限集合ゆうげんしゅうごうfinite setであるとは、ある 0 以上いじょう整数せいすう n について A[n]あいだ全単射ぜんたんしゃbijection存在そんざいすることである。

この講義こうぎでは N={1,2,3,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]} とする。集合しゅうごうset A可算集合かさんしゅうごうcountable setであるとは、A有限集合ゆうげんしゅうごうfinite setであるか、自然数しぜんすうnatural number全体ぜんたい Nおな濃度のうどcardinalityつことである。

3方針ほうしん

濃度のうどcardinality比較ひかくするときは、実際じっさいかぞえるのではなく、写像しゃぞうmap構成こうせいする。|A|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]|B| は、A から B への単射たんしゃinjection存在そんざいするという意味いみである。したがって |A|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]|B|しめすには、B から A への単射たんしゃinjectionさがす。|A|=|B|しめすには、全単射ぜんたんしゃbijection構成こうせいする。

data/lecture/math/discrete-math/injections-surjections-and-bijections.lecture.n.md

4直感的ちょっかんてき説明せつめい

偶数ぐうすう全体ぜんたい 2N は、自然数しぜんすう全体ぜんたい N一部いちぶである。しかし n2nN から 2N への全単射ぜんたんしゃbijectionである。したがって、濃度のうどcardinality意味いみでは N2Nおなおおきさである。

これは無限集合むげんしゅうごう直感ちょっかん有限集合ゆうげんしゅうごうことなるてんである。有限集合ゆうげんしゅうごうでは、しん部分集合ぶぶんしゅうごうproper subsetげん個数こすうすくない。しかし無限集合むげんしゅうごうでは、しん部分集合ぶぶんしゅうごうproper subset全体ぜんたい全単射ぜんたんしゃbijection対応たいおうすることがある。

可算かさんcountableとは、有限個ゆうげんこ番号ばんごう、または N重複ちょうふくなくれなく番号ばんごうけられるということである。一方いっぽう対角線論法たいかくせんろんぽうdiagonal argumentは、どんな一覧いちらん仮定かていしても、そこにらない対象たいしょうつくる。

5厳密げんみつ説明せつめい対角線論法たいかくせんろんぽうdiagonal argument入口いりぐち

可算集合かさんしゅうごうcountable setは、有限個ゆうげんこ番号ばんごうまたは N重複ちょうふくなくれなく番号ばんごうけられる集合しゅうごうsetである。一方いっぽう0<x<1たす実数じっすうreal number x集合しゅうごう可算集合かさんしゅうごうcountable setではない。

この集合しゅうごう可算集合かさんしゅうごうcountable setだと仮定かていすると、その全要素ぜんようそふくれつ r1,r2,r3,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]つくれる。可算無限かさんむげんなら N との全単射ぜんたんしゃbijectionじゅんならべればよい。有限ゆうげんなら全要素ぜんようそ一度いちどならべたあと、この集合しゅうごうげん 1/2かえせばよい。

ここで対角線論法たいかくせんろんぽうdiagonal argumentもちいる。かく ri について、末尾まつびが 9 だけでつづ表示ひょうじ使つかわない小数表示しょうすうひょうじ ri=0.di1di2di3[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]えらぶ。s=0.s1s2s3[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]i 桁目けためを、dii1 なら si=1dii=1 なら si=2さだめる。すると s は 0 と 1 のあいだにあり、ri とは i 桁目けためことなる。また s各桁かくけたは 1 または 2 なので、べつの「9 がつづ表示ひょうじ」とおな実数じっすうになる問題もんだいこらない。したがって sれつふくまれず、このれつ全要素ぜんようそふくむという仮定かてい矛盾むじゅんする。

対角線論法たいかくせんろんぽうdiagonal argumentでは、任意にんい列挙れっきょ仮定かていし、n 番目ばんめ対象たいしょうn 番目ばんめ位置いちかならちがあたらしい対象たいしょうつくる。この構成こうせいにより、その列挙れっきょ全射ぜんしゃでないことをしめす。

6例題れいだい偶数ぐうすう全体ぜんたい可算集合かさんしゅうごうcountable setである

6.1問題もんだい

せい偶数ぐうすう全体ぜんたい E={2,4,6,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]}N={1,2,3,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dots\")")]}おな濃度のうどcardinalityつことをしめせ。

6.2解説かいせつ

f:NEf(n)=2n定義ていぎする。任意にんいn1,n2N について f(n1)=f(n2) なら 2n1=2n2 である。両辺りょうへん非零定数ひれいていすう 2って n1=n2る。したがって f単射たんしゃinjectionである。

任意にんいeEる。E定義ていぎより、ある nN存在そんざいして e=2n である。したがって f(n)=e であり、f全射ぜんしゃsurjectionである。よって f全単射ぜんたんしゃbijectionであり、ENおな濃度のうどcardinalityつ。

7見分みわかた関連かんれんリンク

  • おおきさを比較ひかくするなら、全単射ぜんたんしゃbijectionさがす。
  • かぞげられることをしめすなら、自然数しぜんすうnatural numberからの列挙れっきょつくる。
  • かぞげられないことをしめすなら、任意にんい列挙れっきょかられるげんelement構成こうせいする。
  • 有限集合ゆうげんしゅうごう成立せいりつする直感ちょっかんが、無限集合むげんしゅうごうでも成立せいりつするとはかぎらない。
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