濃度 のうど は、集合 しゅうごう 論 ろん の創始 そうし 者 しゃ であるゲオルク・カントール によって定式 ていしき 化 か された。濃度 のうど は、集合 しゅうごう の一 いち 側面 そくめん を比 くら べるのに用 もち いられる。例 たと えば、{1, 2, 3} と {4, 5, 6} という集合 しゅうごう は等 ひと しくない。しかし、({1→4, 2→5, 3→6}という一対一 いちたいいち の対応 たいおう の存在 そんざい によって確立 かくりつ された)3 という同 おな じ“濃度 のうど ”を持 も っている。
カントールは、一対一 いちたいいち 対応 たいおう という概念 がいねん を無限 むげん 集合 しゅうごう に適用 てきよう することで濃度 のうど を定義 ていぎ した。自然 しぜん 数 すう 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう N との間 あいだ に一対一 いちたいいち 対応 たいおう が存在 そんざい する集合 しゅうごう を可算 かさん 無限 むげん 集合 しゅうごう といい、可算 かさん 無限 むげん 集合 しゅうごう は同 おな じ基数 きすう
ℵ
0
{\displaystyle \aleph _{0}}
(アレフ・ゼロ )を持 も つ。カントールは、このような無限 むげん 集合 しゅうごう に対応 たいおう する基数 きすう を超 ちょう 限 きり 基数 きすう (transfinite cardinal) と呼 よ んだ。
カントールは、直観 ちょっかん に反 はん するかもしれないが、N のいかなる非 ひ 有界 ゆうかい 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう もN と同 おな じ濃度 のうど を持 も つということを証明 しょうめい した。また、N の直積 ちょくせき N ×N も可算 かさん 無限 むげん であるということを証明 しょうめい した(これは有理数 ゆうりすう 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう が可算 かさん 無限 むげん であることを直 ただ ちに導 みちび く)。また、後 のち に代数 だいすう 的 てき 数 すう 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう も可算 かさん 無限 むげん であることも証明 しょうめい した。
カントールは1874年 ねん の論文 ろんぶん [ 1] において、N の濃度 のうど より実数 じっすう 全体 ぜんたい の集合 しゅうごう の濃度 のうど のほうが真 しん に大 おお きいということを示 しめ すことによって、高階 たかしな の基数 きすう が存在 そんざい することを示 しめ した。彼 かれ の証明 しょうめい は、区間 くかん 縮小 しゅくしょう 法 ほう を用 もち いた複雑 ふくざつ な論法 ろんぽう であった。しかし、1891年 ねん の論文 ろんぶん [ 2] では、同 おな じことを巧妙 こうみょう かつ簡潔 かんけつ な対角線 たいかくせん 論法 ろんぽう という方法 ほうほう を用 もち いて証明 しょうめい した。実数 じっすう 全体 ぜんたい の集合 しゅうごう に対応 たいおう する新 あたら しい基数 きすう を、連続 れんぞく 体 たい 濃度 のうど といい、カントールは
c
{\displaystyle {\mathfrak {c}}}
という記号 きごう をそれに用 もち いた。
カントールは基数 きすう の一般 いっぱん 理論 りろん の大 だい 部分 ぶぶん を発展 はってん させた。彼 かれ は最小 さいしょう の超 ちょう 限 きり 基数 きすう の存在 そんざい を示 しめ した。また、いかなる基数 きすう についても、その次 つぎ に大 おお きい基数 きすう が存在 そんざい することを示 しめ した。
彼 かれ が予想 よそう した連続 れんぞく 体 たい 仮説 かせつ は、
c
{\displaystyle {\mathfrak {c}}}
は
ℵ
1
{\displaystyle \aleph _{1}}
に等 ひと しい、という命題 めいだい である。連続 れんぞく 体 たい 仮説 かせつ は、公理系 こうりけい から証明 しょうめい もその否定 ひてい も証明 しょうめい できないという意味 いみ で、集合 しゅうごう 論 ろん の通常 つうじょう の公理系 こうりけい (ツェルメロ・フレンケルの公理系 こうりけい )から独立 どくりつ であることが示 しめ されている。
有限 ゆうげん 集合 しゅうごう の要素 ようそ の個数 こすう は自然 しぜん 数 すう を使 つか って数 かぞ えることが出来 でき る。自然 しぜん 数 すう の個数 こすう を数 かぞ える役割 やくわり も「基数 きすう 」と呼 よ ばれる(対照 たいしょう 的 てき に順番 じゅんばん を数 かぞ える役割 やくわり は序 じょ 数 すう と呼 よ ばれる。基数 きすう 詞 し と序数詞 じょすうし を参照 さんしょう )。通常 つうじょう 数学 すうがく では有限 ゆうげん 集合 しゅうごう だけではなく無限 むげん 集合 しゅうごう が現 あらわ れ、特 とく に可算 かさん 濃度 のうど と非 ひ 可算 かさん 濃度 のうど を区別 くべつ することは大 おお きな意味 いみ を持 も つ。このため有限 ゆうげん 集合 しゅうごう の場合 ばあい の自然 しぜん 数 すう の一般 いっぱん 化 か として無限 むげん 集合 しゅうごう の濃度 のうど についてもそれを表 あらわ す「指標 しひょう 」として基数 きすう を定義 ていぎ したい。
集合 しゅうごう の濃度 のうど の概念 がいねん は全 ぜん 単 たん 射 しゃ をもちいて定義 ていぎ される。2つの集合 しゅうごう が等 ひと しい濃度 のうど を持 も つとは、その集合 しゅうごう の間 あいだ に全 ぜん 単 たん 射 しゃ が存在 そんざい することをいう。有限 ゆうげん 集合 しゅうごう は必 かなら ずなんらかの自然 しぜん 数 すう n にたいし {0 ... n -1} との間 あいだ に全 ぜん 単 たん 射 しゃ が作 つく れることがわかり、有限 ゆうげん 集合 しゅうごう の濃度 のうど の指標 しひょう としては自然 しぜん 数 すう を採用 さいよう すればいいことが分 わ かる。無限 むげん 集合 しゅうごう の場合 ばあい は、振 ふ る舞 ま いは複雑 ふくざつ になってくる。例 たと えば、有限 ゆうげん 集合 しゅうごう の真 ま 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう と元 もと の集合 しゅうごう の濃度 のうど が等 ひと しくなり得 え ないのに対 たい し、無限 むげん 集合 しゅうごう の真 ま 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう の濃度 のうど が元 もと の集合 しゅうごう の濃度 のうど と等 ひと しいということが起 お きる(デデキント無限 むげん も参照 さんしょう )。さらにカントールが示 しめ したように、無限 むげん 集合 しゅうごう の濃度 のうど には最大 さいだい が存在 そんざい せず、いくらでも大 おお きな濃度 のうど を構成 こうせい することが出来 でき る。
カントールは基数 きすう を濃度 のうど が等 ひと しい集合 しゅうごう からなる同値 どうち 類 るい として素朴 そぼく に定義 ていぎ した。しかし(ZFCなどの標準 ひょうじゅん 的 てき な集合 しゅうごう 論 ろん では)この方法 ほうほう では基数 きすう を集合 しゅうごう として扱 あつか うことは出来 でき ず、また基数 きすう からなる集合 しゅうごう やクラスを考 かんが えることは本質 ほんしつ 的 てき に困難 こんなん である。これを回避 かいひ する方法 ほうほう はフォン・ノイマン やデイナ・スコット [ 3] によって提示 ていじ された。
(カントールによって暗 あん に、フレーゲ やプリンキピア・マテマティカ において明確 めいかく に示 しめ されていた)基数 きすう の最 もっと も古 ふる い定義 ていぎ は、集合 しゅうごう 全体 ぜんたい からなるクラスを濃度 のうど による同値 どうち 関係 かんけい で割 わ ったときの同値 どうち 類 るい としての定義 ていぎ である。つまり X の濃度 のうど | X | は X と一対一 いちたいいち 対応 たいおう であるすべての集合 しゅうごう からなるクラス として定義 ていぎ される。これは、ZFC や関連 かんれん する集合 しゅうごう 論 ろん の公理系 こうりけい ではうまく機能 きのう しない。実際 じっさい 、 X を空 そら でない集合 しゅうごう としたとき、集合 しゅうごう S に {S }×X を対応 たいおう させる写像 しゃぞう を考 かんが えることによって、宇宙 うちゅう から | X | への単 たん 射 しゃ が存在 そんざい し、サイズの限界 げんかい (en:Limitation of size ) より、| X | は真 しん のクラスである。
フォン・ノイマンの割 わ り当 あ て
任意 にんい の順序 じゅんじょ 数 すう β べーた に対 たい し β べーた < α あるふぁ ⇒ | β べーた | < | α あるふぁ | を満 み たす順序 じゅんじょ 数 すう α あるふぁ を始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう (initial ordinal ) という[ 注釈 ちゅうしゃく 1] 。このとき整列 せいれつ 可能 かのう な集合 しゅうごう X に対 たい して min{α あるふぁ ∈ON :| α あるふぁ | = | X | } を濃度 のうど | X | の始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう という(ただし ON は順序 じゅんじょ 数 すう 全体 ぜんたい からなるクラス)。
整列 せいれつ 可能 かのう な集合 しゅうごう の濃度 のうど をその始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう として定義 ていぎ することをフォン・ノイマンの割 わ り当 あ てという。
このとき、順序 じゅんじょ 数 すう α あるふぁ に対 たい して濃度 のうど | α あるふぁ | の始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう がα あるふぁ 自身 じしん であるならば、α あるふぁ は基数 きすう であるという。また、濃度 のうど が| α あるふぁ | に等 ひと しい集合 しゅうごう X について、X の基数 きすう はα あるふぁ であると言 い い、| X |=α あるふぁ と書 か く。
スコットのトリック
整列 せいれつ 可能 かのう 定理 ていり を仮定 かてい しない場合 ばあい 、以下 いか の方法 ほうほう を用 もち いて整列 せいれつ 可能 かのう とは限 かぎ らない集合 しゅうごう X に濃度 のうど として以下 いか の集合 しゅうごう を割 わ り当 あ てる(詳 くわ しくはスコットのトリック を参照 さんしょう ):
| X | := {A : | A | = | X | かつ、任意 にんい の集合 しゅうごう B にたいし「| B | = | X | → rank( A ) ≤ rank( B )」 }
このとき基数 きすう はある集合 しゅうごう と濃度 のうど が等 ひと しい集合 しゅうごう のうち階数 かいすう が一番 いちばん 小 ちい さいもの全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう として定義 ていぎ される。
どのような定義 ていぎ を採用 さいよう するにしろ2つの基数 きすう が等 ひと しいのは、それらの基数 きすう を濃度 のうど とするような集合 しゅうごう の間 あいだ に全 ぜん 単 たん 射 しゃ が構成 こうせい できるちょうどそのときである。整列 せいれつ 可能 かのう な集合 しゅうごう の濃度 のうど として表 あらわ せる基数 きすう をアレフ数 すう (aleph number)という。ここでは基数 きすう 全体 ぜんたい からなるクラスを
C
N
{\displaystyle \mathbb {CN} }
とかく。
C
N
{\displaystyle \mathbb {CN} }
は真 しん のクラスである。
基数 きすう の間 あいだ の大小 だいしょう 関係 かんけい を
κ かっぱ ≤ λ らむだ ⇔ 「X 、Y が κ かっぱ = | X | , λ らむだ = | Y | を満 み たすなら、X から Y への単 たん 射 しゃ が存在 そんざい する」
と定義 ていぎ する
有限 ゆうげん 集合 しゅうごう の濃度 のうど となる基数 きすう を有限 ゆうげん 基数 きすう といい、自然 しぜん 数 すう n にたいし、n 点 てん 集合 しゅうごう の濃度 のうど を n と書 か く。
無限 むげん 集合 しゅうごう の濃度 のうど となる基数 きすう を無限 むげん 基数 きすう という。自然 しぜん 数 すう 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう の濃度 のうど を
ℵ
0
{\displaystyle \aleph _{0}}
と書 か く(
ℵ
0
=
|
N
|
{\displaystyle \aleph _{0}=|\mathbb {N} |}
)。実数 じっすう 全体 ぜんたい からなる集合 しゅうごう の基数 きすう を
c
{\displaystyle {\mathfrak {c}}}
などと書 か き(
c
=
ℶ
1
=
|
R
|
=
|
2
N
|
{\displaystyle {\mathfrak {c}}=\beth _{1}=|\mathbb {R} |=|2^{\mathbb {N} }|}
)連続 れんぞく 体 たい 濃度 のうど と呼 よ ぶ。
基数 きすう に対 たい しての基本 きほん 的 てき な演算 えんざん は、有限 ゆうげん 基数 きすう について自然 しぜん 数 すう 上 じょう のよく知 し られた演算 えんざん と一致 いっち するように定義 ていぎ される。
以下 いか 、特 とく に言及 げんきゅう のないときは選択 せんたく 公理 こうり を仮定 かてい する。X 、Y は集合 しゅうごう 、κ かっぱ 、λ らむだ 、μ みゅー 、ν にゅー は基数 きすう とする。
| X |+ := |{ α あるふぁ ∈ON : |α あるふぁ |≤| X | }|
を X のハルトークス数 すう (Hartogs number) という(これは濃度 のうど が | X | より大 おお きい最小 さいしょう の順序 じゅんじょ 数 すう と一致 いっち する)。κ かっぱ + を κ かっぱ の後続 こうぞく という。
κ かっぱ が有限 ゆうげん の時 とき は κ かっぱ + = κ かっぱ +1 が成立 せいりつ 。一方 いっぽう 、無限 むげん 基数 きすう のときは κ かっぱ + と κ かっぱ +1 は異 こと なる。
| X |+| Y | := | X ⊔ Y | (ただし X ⊔ Y は X と Y の直和 なおかず (X × {0})∪(Y × {1}) のこと)
を | X | と | Y | の和 わ という。
基数 きすう の加法 かほう について以下 いか が成 な り立 た つ。
単位 たんい 元 もと : κ かっぱ +0 = κ かっぱ
結合 けつごう 律 りつ : (κ かっぱ +λ らむだ )+μ みゅー = κ かっぱ +(λ らむだ +μ みゅー )
可 か 換 かわ 律 ただし : κ かっぱ +λ らむだ = λ らむだ +κ かっぱ
順序 じゅんじょ の保存 ほぞん : κ かっぱ ≤ λ らむだ ⇒ κ かっぱ +μ みゅー ≤ λ らむだ +μ みゅー
κ かっぱ と λ らむだ のどちらかが無限 むげん 基数 きすう のとき κ かっぱ +λ らむだ = max{κ かっぱ ,λ らむだ }
減法 げんぽう : 無限 むげん 基数 きすう κ かっぱ と基数 きすう λ らむだ にたいし、κ かっぱ > λ らむだ のとき λ らむだ +μ みゅー = κ かっぱ ⇔ μ みゅー = κ かっぱ
| X |·| Y | := | X × Y | (ただし X ×Y は X と Y の直積 ちょくせき 。)
を | X | と | Y | の積 せき という。
吸収 きゅうしゅう 元 もと : κ かっぱ ·0 = 0
零 れい 因子 いんし の非 ひ 存在 そんざい : κ かっぱ ≠ 0 , λ らむだ ≠ 0 ⇒ κ かっぱ ·λ らむだ ≠ 0
単位 たんい 元 もと : κ かっぱ ·1 = κ かっぱ
結合 けつごう 律 りつ : (κ かっぱ ·λ らむだ )·μ みゅー = κ かっぱ ·(λ らむだ ·μ みゅー )
可 か 換 かわ 律 ただし : κ かっぱ ·λ らむだ = κ かっぱ ·λ らむだ
順序 じゅんじょ の保存 ほぞん : κ かっぱ ≤ λ らむだ ⇒ κ かっぱ ·μ みゅー ≤ λ らむだ ·μ みゅー
分配 ぶんぱい 律 りつ : κ かっぱ ·(λ らむだ +·μ みゅー ) = κ かっぱ ·λ らむだ +κ かっぱ ·μ みゅー 、 (κ かっぱ +λ らむだ )·μ みゅー = κ かっぱ ·μ みゅー +λ らむだ ·μ みゅー
0 でない基数 きすう κ かっぱ と λ らむだ のどちらかが無限 むげん 基数 きすう のとき κ かっぱ ·λ らむだ = max{κ かっぱ ,λ らむだ }
除法 じょほう
無限 むげん 基数 きすう κ かっぱ と基数 きすう λ らむだ > 0 にたいし、κ かっぱ > λ らむだ のとき λ らむだ ·μ みゅー = κ かっぱ ⇔ μ みゅー = κ かっぱ 。
| X || Y | := | X Y | (ただし X Y は Y から X への写像 しゃぞう 全体 ぜんたい 。)
を | X | を底 そこ 、| Y | を指数 しすう とする冪 べき という。
κ かっぱ 0 = 1 、κ かっぱ 1 = κ かっぱ
κ かっぱ > 0 ⇒ 0κ かっぱ = 0
指数 しすう 法則 ほうそく :
κ かっぱ (λ らむだ +μ みゅー ) = κ かっぱ λ らむだ ·κ かっぱ μ みゅー
(κ かっぱ ·λ らむだ )μ みゅー = κ かっぱ μ みゅー ·λ らむだ μ みゅー
(κ かっぱ λ らむだ )μ みゅー = κ かっぱ λ らむだ ·μ みゅー
κ かっぱ ≤ λ らむだ ⇒ κ かっぱ μ みゅー ≤ λ らむだ μ みゅー
κ かっぱ > 0 , λ らむだ ≤ μ みゅー ⇒ κ かっぱ λ らむだ ≤ κ かっぱ μ みゅー
2
≤
κ かっぱ
<
ℵ
0
⇒
κ かっぱ
λ らむだ
=
2
λ らむだ
{\displaystyle 2\leq \kappa <\aleph _{0}\Rightarrow \kappa ^{\lambda }=2^{\lambda }}
、
1
≤
λ らむだ
<
ℵ
0
⇒
κ かっぱ
λ らむだ
=
κ かっぱ
{\displaystyle 1\leq \lambda <\aleph _{0}\Rightarrow \kappa ^{\lambda }=\kappa }
無限 むげん 基数 きすう λ らむだ にたいし以下 いか が成立 せいりつ 。
2 ≤ κ かっぱ ≤ 2λ らむだ ⇒ κ かっぱ λ らむだ = 2λ らむだ
λ らむだ ≤ κ かっぱ ⇒ κ かっぱ λ らむだ ≤ 2κ かっぱ
|cf(κ かっぱ )| ≤ λ らむだ ⇒ κ かっぱ < κ かっぱ λ らむだ (ただし cf(κ かっぱ ) は κ かっぱ の始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう の共 きょう 終 おわり 数 すう を表 あらわ すとする。)
2 ≤ κ かっぱ ≤ 2λ らむだ ⇒ κ かっぱ λ らむだ = λ らむだ +
|cf(κ かっぱ )| ≤ λ らむだ ≤ κ かっぱ ⇒ κ かっぱ λ らむだ = κ かっぱ +
λ らむだ < |cf(κ かっぱ )| ⇒ κ かっぱ λ らむだ = κ かっぱ
冪 べき 乗 じょう 根 ね
基数 きすう λ らむだ 、κ かっぱ にたいし、μ みゅー λ らむだ = κ かっぱ を満 み たす μ みゅー は存在 そんざい するとも一意的 いちいてき とも限 かぎ らない。λ らむだ が有限 ゆうげん で κ かっぱ が無限 むげん なら、μ みゅー λ らむだ = κ かっぱ ⇔ μ みゅー = κ かっぱ 。
対数 たいすう
基数 きすう λ らむだ 、κ かっぱ にたいし、λ らむだ μ みゅー = κ かっぱ を満 み たす μ みゅー は存在 そんざい するとも一意的 いちいてき とも限 かぎ らない。無限 むげん 基数 きすう κ かっぱ にたいし log(κ かっぱ ) := inf{ λ らむだ : κ かっぱ ≤ 2λ らむだ } を κ かっぱ の対数 たいすう という。このとき log(κ かっぱ ) ≤ κ かっぱ 、κ かっぱ ≤ 2log(κ かっぱ ) 。
^ ただし ON の最小 さいしょう 元 もと という意味 いみ で0を始 はじめ 順序 じゅんじょ 数 すう ということもある