선택공리로 R/Q의 각 동치류에서 대표원 하나씩을 뽑으면 — 측도를 잴 수 없는 집합이 탄생합니다. 가산개의 서로소 평행이동이 [0,1]을 덮으면서 [−1,2] 안에 들어가는데, 측도가 0이면 합이 0, 양수면 무한대 — 둘 다 모순입니다.
[0,1]⊆q∈Q∩[−1,1]⨆(V+q)⊆[−1,2]
m(V)>0⇒∑m(V)=∞>3,m(V)=0⇒∑m(V)=0<1
예제
x∼y⟺x−y∈Q로 [0,1] 위에 동치관계를 정의하고, 선택공리로 각 동치류에서 대표원 하나씩을 골라 V⊂[0,1]을 만드세요. 유리수 q1=q2에 대해 평행이동 V+q1과 V+q2가 서로소임을 완전히 증명하세요.
x∈(V+q1)∩(V+q2)⟹q1=q2
d=3: 분모가 3 이하인 유리수 9개 — 각 행이 모형 대표원 집합의 평행이동입니다. 진짜 증명은 가산 개의 유리수 전체에 대한 것입니다.증명 보기
[선택공리의 사용 — 유일한 사용처] x∼y⟺x−y∈Q는 [0,1] 위의 동치관계입니다 (반사·대칭·추이는 유리수 집합이 덧셈군이기 때문입니다). 선택공리를 정확히 한 번 써서, [0,1]과 만나는 각 동치류에서 대표원 하나씩을 고릅니다. 그 모음이 V입니다 — 따라서 V⊂[0,1]이며, V는 각 동치류마다 정확히 하나의 원소를 가집니다.
x∈(V+q1)∩(V+q2)라 두면, 어떤 v1,v2∈V에 대해 x=v1+q1=v2+q2입니다. 정리하면 v1−v2=q2−q1∈Q — 즉 v1∼v2입니다.
V는 각 동치류에서 원소를 하나씩만 가지므로, v1∼v2이면 v1=v2입니다. 그러면 q1=x−v1=x−v2=q2 — 모순. 따라서 서로 다른 유리수에 대한 평행이동은 겹치지 않습니다.
문제 1의 V에 대해, Q∩[−1,1] 안의 유리수 q들에 대한 평행이동들의 합집합이 [0,1]⊂⋃q(V+q)⊂[−1,2]를 만족함을 완전히 증명하세요.
[0,1]⊂q∈Q∩[−1,1]⋃(V+q)⊂[−1,2]
d=6: 유리수 25개 — [−1,2] 상자 안에 모형 평행이동들이 촘촘히 들어가고, [0,1] 띠를 덮습니다.증명 보기
[선택공리의 사용 — 문제 1과 동일] V는 선택공리로 각 ∼-동치류에서 하나씩 고른 대표원들의 집합이며, V⊂[0,1]입니다. 아래 두 포함관계는 이 구성의 직접적인 결과입니다.
왼쪽 포함: x∈[0,1]이라 두면, x가 속한 동치류의 대표원 v∈V가 존재합니다. q=x−v∈Q이고, x,v∈[0,1]이므로 q∈[−1,1]입니다. 따라서 x=v+q∈V+q — 즉 [0,1]⊂⋃q(V+q)입니다.
오른쪽 포함: V⊂[0,1]이고 q∈[−1,1]이므로, V+q⊂[0,1]+[−1,1]=[−1,2]입니다. 모든 q에 대해 합집합을 취해도 마찬가지입니다. 씬의 [−1,2] 상자와 [0,1] 띠가 바로 이 샌드위치입니다.
V가 르베그 가측이라고 가정하고 모순을 이끌어내세요: 가산가법성과 평행이동 불변성으로부터, m(V)>0인 경우와 m(V)=0인 경우 모두 불가능함을 완전히 증명하세요.
m(q⋃(V+q))=q∑m(V+q)=q∑m(V)yet1≤m(q⋃)≤3
d=2: 유리수 5개만 보여도 — m=1이라 두면 측도 합이 5>3으로 상자를 넘칩니다 (유한 버전의 모순).증명 보기
[선택공리의 사용 — 문제 1과 동일] V는 선택공리로 만든 대표원 집합입니다. V가 가측이라 가정하고 m=m(V)라 둡니다. 평행이동 불변성에 의해 모든 유리수 q에 대해 m(V+q)=m입니다.
문제 1에서 평행이동들은 서로소이므로, 가산가법성으로 m(⋃q(V+q))=∑qm(V+q)=∑qm입니다 — 가산 개의 m을 더한 것입니다. 문제 2의 샌드위치에 단조성을 적용하면 1=m([0,1])≤m(⋃q)≤m([−1,2])=3입니다.
m>0이면 ∑qm=∞인데 ≤3이어야 하므로 모순입니다. m=0이면 ∑qm=0인데 ≥1이어야 하므로 모순입니다. 어떤 m도 성립하지 않으므로, 가정(가측성)이 틀렸습니다 — V는 르베그 가측이 아닙니다. 선택공리는 대표원을 고르는 데 정확히 한 번 쓰였을 뿐인데, 가측이 아닌 집합의 존재가 따라나옵니다.