진술
Question — 한 집합에 폐포와 여집합 연산을 사용해 만들 수 있는 서로 다른 집합의 개수는 얼마인가?
풀이
정의 1. 위상공간
에 대해,
를 다음과 같이 정의하자.
![{\displaystyle {\mathsf {k}}A={\overline {A}},\quad {\mathsf {c}}A=X\setminus A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f4dc218555c4d5adf5f4ca86698bf80ecd70eaba)
이때
는
의 폐포이다.
명제 2.
이때
는
로 정의된다.
정의 3. 위상공간
에 대해,
를 다음과 같이 정의하자.
![{\displaystyle {\mathsf {i}}A=\operatorname {int} A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e2d906ad3721f38f57798d7018f357e16affe4b0)
이때
는
의 내부이다.
명제 4. ![{\displaystyle {\mathsf {ii}}={\mathsf {i}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f07482d820f12e922aa2c609fba25209ea969ce2)
명제 5. ![{\displaystyle {\mathsf {kiki}}={\mathsf {ki}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a3a411ade79e2e59718a893419a61fe11f04dce5)
Proof
임의의
에 대해
임을 보이면 된다.
Claim 1.
내부의 정의에 의해
![{\displaystyle {\mathsf {iki}}A\subset {\mathsf {ki}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3a55bd4809f3fec33ef2968184ede0a936225ccc)
이다. 그러면 명제 2에 의해
![{\displaystyle {\mathsf {kiki}}A\subset {\mathsf {kki}}A={\mathsf {ki}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a383d9d055dd9ec5bc4e5b1e6ab85c26be1e9633)
을 얻는다.
Claim 2.
폐포의 정의에 의해
![{\displaystyle {\mathsf {ki}}A\supset {\mathsf {i}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5043273a0964162860ee3e6bfba3a2932b62db05)
이므로, 명제 4에 의해
![{\displaystyle {\mathsf {iki}}A\supset {\mathsf {ii}}A={\mathsf {i}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/799c41c558728f6b8c03f40143f5bda425839979)
이고 따라서
![{\displaystyle {\mathsf {kiki}}A\supset {\mathsf {ki}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/31b13da71706e86d6f417a6b07355a2fa094f0ff)
이다.
명제 6. ![{\displaystyle {\mathsf {i}}={\mathsf {ckc}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ba5c399b005743c973a200a806e1ce080077339c)
명제 7. ![{\displaystyle {\mathsf {kckckckc}}={\mathsf {kckc}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c66e5b662181466ea0317b730cf4b990a65131c8)
Proof
명제 5와 6에 의해,
![{\displaystyle {\mathsf {kckckckc}}={\mathsf {kiki}}={\mathsf {ki}}={\mathsf {kckc}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6cdfe1cb370ee3ee861017c54c6092ec3291133f)
명제 8. ![{\displaystyle {\mathsf {kckckck}}={\mathsf {kck}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9052ac19b2fd3edeedb3b301c053883f91103406)
Proof
명제 2와 7에 의해,
![{\displaystyle {\mathsf {kckckck}}={\mathsf {kckckckcc}}={\mathsf {kckcc}}={\mathsf {kck}}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/082b46ac76814f449e847063f333e043a738b2d9)
명제 9.
의 임의의 유한 번 합성을 모은 집합의 원소의 개수는 14를 넘지 않는다.
Proof
명제 2에 의해,
을 제외한
의 임의의 유한 번 합성은 다음 꼴 중 하나이다:
-
![{\displaystyle {\mathsf {k(ck}}\dots {\mathsf {ck)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ad3ec364aa403dea3d4cbf9e831d28ad9d4deaa)
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(1)
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-
![{\displaystyle {\mathsf {kc}}\dots {\mathsf {kc}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/49ea552f303c6d7be99ab7bf9aed622c1b93298b)
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(2)
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-
![{\displaystyle {\mathsf {ck}}\dots {\mathsf {ck}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cc2e55665b1cf8c479d7d38ffb5fc6c6a43eff5b)
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(3)
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-
![{\displaystyle {\mathsf {c(kc}}\dots {\mathsf {kc)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3cf950433730a6abd58a12e5cf43bbc7445d1196)
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(4)
|
그런데 명제 7, 8에서
이고
이므로 (1)은
![{\displaystyle {\mathsf {k}},{\mathsf {kck}},{\mathsf {kckck}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/59f383ad0bdbc3ff6c6af84fcf422876212db08d)
중 하나이며, (2)는
![{\displaystyle {\mathsf {kc}},{\mathsf {kckc}},{\mathsf {kckckc}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e58faa9865a137624937d0ff842a7082f42c620c)
중 하나이고, (3)은
![{\displaystyle {\mathsf {ck}},{\mathsf {ckck}},{\mathsf {ckckck}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/011c4a8438ceae2cb6a6d96d78e9bd97a0f7483b)
중 하나이고, (4)는
![{\displaystyle {\mathsf {c}},{\mathsf {ckc}},{\mathsf {ckckc}},{\mathsf {ckckckc}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/661f0cd975035581f065af8cdc6cb674e4f28a30)
중 하나이다. 따라서
의 임의의 유한 번 합성은
개를 넘지 않는다.
예시
명제 9에서 한 집합에 폐포와 여집합 연산으로 만들어낼 수 있는 서로 다른 집합의 수가 14 이하임을 보였다. 그렇다면 폐포와 여집합 연산으로 만들어낼 수 있는 서로 다른 집합의 수가 14인 집합이 존재하는가? 답은 "예"이다.
예 10.
의 부분집합
![{\displaystyle A=(-\infty ,1)\cup (1,2)\cup ((2,4)\cap (\mathbb {R} \setminus \mathbb {Q} ))\cup \{5\}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/868899a93ac1af317d73f9acdad34650b37526d0)
이 주어졌다고 하자. 이때
의 유한 번 합성을 계산한 결과는 다음과 같다.[1]
집합 |
결과 |
집합 |
결과
|
![{\displaystyle A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7daff47fa58cdfd29dc333def748ff5fa4c923e3) |
![{\displaystyle (-\infty ,1)\cup (1,2)\cup ((2,4)\cap (\mathbb {R} \setminus \mathbb {Q} ))\cup \{5\}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5e55486d327d98c15f165a32f47ee82492a381bf) |
![{\displaystyle {\mathsf {c}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8ca294d4dec0af35926bf0324ab523172672b98a) |
|
![{\displaystyle {\mathsf {k}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/031206065491dc6538f47445ae8ad43ec76e1edf) |
![{\displaystyle (-\infty ,4]\cup \{5\}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d0bbc8fb01896653cd66c77bd38fc20f952d8600) |
![{\displaystyle {\mathsf {kc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9f3a6e4019892b514a3a27788a5d3a267fb3bcd5) |
|
![{\displaystyle {\mathsf {ck}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9337e5aae4c4e65b12d9aa9fcb0951a46508aae0) |
![{\displaystyle (4,5)\cup (5,\infty )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c4b4d8a5bd764514877175eb6440020a5cde1395) |
![{\displaystyle {\mathsf {ckc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4385e3beed1ae7984e6f8c2ab052d5d8ddd8bb21) |
|
![{\displaystyle {\mathsf {kck}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/92ffc2b5601b3b574fb0b6e3322b5a1e56d7492d) |
![{\displaystyle [4,\infty )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7721ea88bccfe5687a9ff007b4c88fc1941a63c9) |
![{\displaystyle {\mathsf {kckc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7ab9c0a58ea687f6e338c646cb31ce1b8dc76914) |
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![{\displaystyle {\mathsf {ckck}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/160692dfdf4f36573786eca21dc2d49ff673cf3b) |
![{\displaystyle (-\infty ,4)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4956f735442174051b617339e8d42305a1e5d626) |
![{\displaystyle {\mathsf {ckckc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/219debd4d907eb5fa211c93ae441bdfcd3f0e767) |
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![{\displaystyle {\mathsf {kckck}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d48b26976c38df98a0e72643e0cd81def794aff) |
![{\displaystyle (-\infty ,4]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/93ed16d829c5538f73aa8c144287a1500f31b3e8) |
![{\displaystyle {\mathsf {kckckc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0a409a2963fc668ad039c5248bc5ba032b90ce89) |
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![{\displaystyle {\mathsf {ckckck}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b17989df13662245bea544edad5b4a923a7324f) |
![{\displaystyle (4,\infty )}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7a4d340b505ea81f1d2bf12eeffeb00a3d7bf367) |
![{\displaystyle {\mathsf {ckckckc}}A}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/71ca209070d787607f52ef62b401dc3112f82bf2) |
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