비어 있지 않은 집합들의 모음에서 각각 하나씩 원소를 고르는 함수 — 유한 모음에서는 공리 없이도 되지만, 무한 모음에서는 이 "고르기" 자체가 공리입니다. 각 줄에서 하나씩 찍어보세요.
∀i∈I(Xi=∅)⇒i∈I∏Xi=∅
c:{Xi}i∈I→i⋃Xi,c(Xi)∈Xi
예제
유한한 집합족에 대해서는 선택 공리가 필요 없음을 증명하세요: X1,…,Xm이 모두 비어 있지 않은 집합이면, 각 Xi에서 원소를 하나씩 뽑는 튜플 (x1,…,xm)이 존재합니다 (m에 대한 귀납법).
X1,…,Xm=∅⇒∃(x1,…,xm):xi∈Xi
m=3, seed =1: 세 상자에 각각 3,4,5개의 공이 있고, 선택된 튜플은 (2,3,4)입니다 (0부터 센 인덱스). 상자가 유한하므로 이런 선택을 손으로 직접 만들 수 있습니다.증명 보기
m=1일 때: X1=∅이므로 원소 x1∈X1이 존재합니다 — 존재 명제의 인스턴스화일 뿐, 선택이 아닙니다. 튜플 (x1)이 구하는 것입니다.
귀납 단계: X1,…,Xm에서 튜플 (x1,…,xm)이 이미 뽑혔다고 가정합니다 (xi∈Xi). Xm+1=∅이므로 원소 xm+1∈Xm+1이 존재하고, (x1,…,xm,xm+1)이 m+1개의 집합에 대한 튜플이 됩니다.
따라서 모든 유한한 m에 대해 튜플이 존재합니다. 핵심은 매 단계마다 이름이 붙은 집합 하나에서만 원소를 고른다는 점입니다 — 무한히 많은 집합에서 "동시에" 고르는 일이 없어서 선택 공리가 필요 없습니다. 무한족에서는 이 귀납법이 끝나지 않으며, 바로 그 지점에서 공리가 등장합니다.
선택 공리는 "비어 있지 않은 집합들의 곱은 항상 비어 있지 않다"는 명제와 동치임을 양방향으로 증명하세요.
AC⟺(Xi=∅∀i⇒i∈I∏Xi=∅)
m=4, seed =2: 네 상자에 각각 3,5,3,5개의 공이 있고, 선택된 튜플 (1,1,2,0)은 곱집합 X1×X2×X3×X4의 원소 그 자체입니다.증명 보기
(⇒) 선택 공리를 가정하고, 비어 있지 않은 집합족 (Xi)i∈I를 잡습니다. 공리는 각 i에 대해 c(i)∈Xi인 선택함수 c를 줍니다. 튜플 (c(i))i∈I은 정의상 곱집합 ∏i∈IXi의 원소이므로, 곱집합은 비어 있지 않습니다.
(⇐) 반대로 모든 그런 곱집합이 비어 있지 않다고 가정합니다. 임의의 비어 있지 않은 집합족 (Xi)i∈I에 대해 곱집합 ∏i∈IXi는 비어 있지 않으므로 원소 t를 하나 가집니다. 이 t는 각 i에 ti∈Xi를 대응시키는 튜플 — 즉 선택함수 그 자체입니다. 따라서 선택 공리가 성립합니다.
선택 공리는 "모든 전사함수는 우역원을 갖는다"는 명제와 동치임을 양방향으로 증명하세요.
AC⟺(f:X↠Y⇒∃g:Y→X,f(g(y))=y)
m=5, seed =5: 다섯 상자에 각각 3,4,5,2,3개의 공이 있고 선택된 튜플은 (1,3,0,1,0)입니다. 아래 증명의 서로소 합집합을 이 다섯 상자에 적용하면, 사영의 우역원이 바로 이 튜플이 됩니다.증명 보기
(⇒) 전사함수 f:X→Y를 잡습니다. 각 y∈Y에 대해 fiber f−1({y})={x:f(x)=y}는 전사성에 의해 비어 있지 않습니다. 선택 공리를 집합족 (f−1({y}))y∈Y에 적용하면 각 y에 대해 g(y)∈f−1({y})인 함수 g:Y→X를 얻고, 이는 f(g(y))=y를 만족합니다 — g는 f의 우역원입니다.
(⇐) 모든 전사함수가 우역원을 갖는다고 가정하고, 비어 있지 않은 집합족 (Xi)i∈I를 잡습니다 (I=∅이면 빈 함수가 선택함수이므로 자명). 서로소 합집합 X={(i,x):i∈I,x∈Xi}와 사영 π:X→I, π(i,x)=i를 둡니다. 각 Xi가 비어 있지 않으므로 π는 전사입니다.
π의 우역원 s:I→X는 π(s(i))=i를 만족하므로, s(i)=(i,xi) 꼴이며 xi∈Xi가 유일하게 정해집니다. 대응 i↦xi가 구하는 선택함수입니다. 따라서 선택 공리가 성립합니다.