可算集合の共通部分の濃度

可算集合を含む複数の集合の共通部分が高々可算集合になることを証明します。共通部分が空集合、有限集合、可算集合になる具体例、任意個の集合族への一般化、有限集合の場合との違い、濃度を一意に特定できない理由についても解説します。

可算集合どうしの共通部分の濃度

前節では、有限個または可算個の可算集合の和集合について、その濃度を考えました。和集合は各集合のすべての要素を集めて作られるため、もとの集合より濃度が大きくなる可能性があります。そのため、可算個の可算集合の和集合が可算であることを示すためには、各集合の要素を二重に配列して列挙する議論が必要でした。これに対して、共通部分はすべての集合に属する要素だけからなるため、もとのどの集合よりも大きくなることはありません。本節では、可算集合の共通部分の濃度について考えます。

集合\(A,B\)の共通部分\(A\cap B\)とは、\(A\)と\(B\)の両方に属する要素からなる集合です。共通部分については、\begin{eqnarray*}A\cap B &\subset &A \\
A\cap B &\subset &B
\end{eqnarray*}がともに成り立ちます。したがって、\(A,B\)の少なくとも一方が可算集合である場合、共通部分\(A\cap B\)は高々可算集合です。

命題(可算集合との共通部分の濃度)
集合\(A,B\)の少なくとも一方が可算集合であるならば、共通部分\(A\cap B\)は高々可算集合である。特に、\(A\cap B\)が無限集合ならば可算集合である。
証明

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例(可算集合と非可算集合の共通部分)
以下の集合\begin{eqnarray*}
A &=&\mathbb{Q} \\
B &=&\mathbb{R} \backslash \left\{ 0\right\}
\end{eqnarray*}に注目します。\(A\)は可算集合であり\(B\)は非可算集合です。共通部分は、\begin{equation*}A\cap B=\mathbb{Q} \backslash \left\{ 0\right\}
\end{equation*}ですが、これは無限集合です。したがって先の命題より、\(\mathbb{Q} \backslash \left\{ 0\right\} \)は可算集合です。

先の命題を踏まえると以下を得ます。

命題(可算集合どうしの共通部分の濃度)
集合\(A,B\)がともに可算集合であるならば、共通部分\(A\cap B\)は高々可算集合である。特に、\(A\cap B\)が無限集合ならば可算集合である。
証明

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2つの可算集合の共通部分は高々可算集合であることが明らかになりましたが、そのパターンとしては空集合、1点集合、任意の有限濃度を持つ集合、可算集合のいずれにもなり得ます。

例(共通部分が空集合である場合)
以下の集合\begin{eqnarray*}
A &=&\left\{ 2n\ |\ n\in \mathbb{N} \right\} \\
B &=&\left\{ 2n-1\ |\ n\in \mathbb{N} \right\}
\end{eqnarray*}はともに可算集合ですが、共通部分は、\begin{equation*}
A\cap B=\phi
\end{equation*}であるため、\begin{equation*}
\left\vert A\cap B\right\vert =\left\vert \phi \right\vert =0
\end{equation*}です。

例(共通部分が1点集合である場合)
以下の集合\begin{eqnarray*}
A &=&\mathbb{N} \\
B &=&\left\{ 1\right\} \cup \mathbb{Z} _{− −}
\end{eqnarray*}はともに可算集合ですが、共通部分は、\begin{equation*}
A\cap B=\left\{ 1\right\}
\end{equation*}であるため、\begin{equation*}
\left\vert A\cap B\right\vert =\left\vert \left\{ 1\right\} \right\vert =1
\end{equation*}です。

例(共通部分が任意の有限濃度である場合)
自然数\(k\in \mathbb{N} \)を任意に選びます。以下の集合\begin{eqnarray*}A &=&\mathbb{N} \\
B &=&\left\{ 1,2,\cdots ,k\right\} \cup \mathbb{Z} _{− −}
\end{eqnarray*}はともに可算集合ですが、共通部分は、\begin{equation*}
A\cap B=\left\{ 1,2,\cdots ,k\right\}
\end{equation*}であるため、\begin{equation*}
\left\vert A\cap B\right\vert =\left\vert \left\{ 1,2,\cdots ,k\right\}
\right\vert =k
\end{equation*}です。

例(共通部分が可算集合である場合)
以下の集合\begin{eqnarray*}
A &=&\mathbb{N} \\
B &=&\left\{ 2n\ |\ n\in \mathbb{N} \right\}
\end{eqnarray*}はともに可算集合ですが、共通部分は、\begin{equation*}
A\cap B=B
\end{equation*}であるため、\begin{equation*}
\left\vert A\cap B\right\vert =\left\vert B\right\vert =\left\vert \mathbb{N} \right\vert
\end{equation*}です。

有限集合\(A,B\)については、包除原理により、\begin{equation*}\left\vert A\cap B\right\vert =\left\vert A\right\vert +\left\vert
B\right\vert -\left\vert A\cup B\right\vert
\end{equation*}が成り立つため、\(\left\vert A\right\vert ,\left\vert B\right\vert ,\left\vert A\cup B\right\vert \)から共通部分の濃度を特定できます。一方、\(A,B\)がともに可算集合である場合には、\begin{equation*}\left\vert A\right\vert =\left\vert B\right\vert =\left\vert A\cup
B\right\vert =\left\vert \mathbb{N} \right\vert
\end{equation*}であっても、\(\left\vert A\cap B\right\vert \)は\(0,1,2,\cdots ,\left\vert \mathbb{N} \right\vert \)のいずれにもなり得ることを例を通じて確認しました。したがって、\(\left\vert A\right\vert ,\left\vert B\right\vert ,\left\vert A\cup B\right\vert \)だけから\(\left\vert A\cap B\right\vert \)を特定する公式はありません。一般的に保証されるのは、\begin{equation*}\left\vert A\cap B\right\vert \leq \left\vert \mathbb{N} \right\vert
\end{equation*}ということだけです。

 

任意個の可算集合の共通部分の濃度

2つの集合に関する先の結果は、任意個の集合の共通部分にも拡張できます。

命題(可算集合を含む任意個の集合の共通部分の濃度)
集合族\(\left\{ A_{\lambda }\right\} _{\lambda \in \Lambda }\)の少なくとも1つの要素が可算集合であり、添字集合\(\Lambda \)が非空であるならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \Lambda }A_{\lambda }
\end{equation*}は高々可算集合である。特に、\(\bigcap_{\lambda \in \Lambda}A_{\lambda }\)が無限集合ならば可算集合である。
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先の命題では添字集合\(\Lambda \)が非空である状況を想定しました。全体集合が\(U\)である場合、添字集合\(\Lambda \)が空集合である場合の集合族の共通部分は、\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \phi }A_{\lambda }=U
\end{equation*}と定義されます。したがって、\(U\)が非可算集合ならば、この共通部分も非可算集合になるため、先の命題の主張が成り立ちません。したがって先の命題では\(\Lambda \)を非空としています。

例(可算集合を含む可算個の集合の共通部分の濃度)
先の命題において添字集合\(\Lambda \)は任意の非空集合であるため、\begin{equation*}\Lambda =\mathbb{N} \end{equation*}の場合の主張も成り立ちます。つまり、可算集合族\(\left\{ A_{i}\right\} _{i\in \mathbb{N} }\)の少なくとも1つの要素が可算集合ならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{i\in \mathbb{N} }A_{i}
\end{equation*}は高々可算集合です。特に、\(\bigcap_{i\in \mathbb{N} }A_{i}\)が無限集合ならば可算集合です。

先の命題を踏まえると以下を得ます。

命題(任意個の可算集合の共通部分の濃度)
集合族\(\left\{ A_{\lambda }\right\} _{\lambda \in \Lambda }\)の要素がいずれも可算集合であり、添字集合\(\Lambda \)が非空であるならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \Lambda }A_{\lambda }
\end{equation*}は高々可算集合である。特に、\(\bigcap_{\lambda \in \Lambda}A_{\lambda }\)が無限集合ならば可算集合である。
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例(可算個の可算集合の共通部分の濃度)
先の命題において添字集合\(\Lambda \)は任意の非空集合であるため、\begin{equation*}\Lambda =\mathbb{N} \end{equation*}の場合の主張も成り立ちます。つまり、可算集合族\(\left\{ A_{i}\right\} _{i\in \mathbb{N} }\)の要素がいずれも可算集合ならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{i\in \mathbb{N} }A_{i}
\end{equation*}は高々可算集合です。特に、\(\bigcap_{i\in \mathbb{N} }A_{i}\)が無限集合ならば可算集合です。
例(非可算個の集合の共通部分)
集合族\(\left\{ A_{\lambda }\right\} _{\lambda \in \Lambda }\)の添字集合を、\begin{equation*}\Lambda =\mathbb{R} \backslash \mathbb{N} \end{equation*}であり、集合族の要素が、\begin{equation*}
A_{\lambda }=\mathbb{N} \cup \left\{ \lambda \right\}
\end{equation*}であるものとします。\(A_{\lambda }\)は可算集合であり、\(\Lambda \)は非可算集合です。先の命題より、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \Lambda }A_{\lambda }=\bigcap_{\lambda \in \mathbb{R} \backslash \mathbb{N} }\mathbb{N} \cup \left\{ \lambda \right\}
\end{equation*}は高々可算集合です。実際、\begin{equation*}
\bigcap_{\lambda \in \mathbb{R} \backslash \mathbb{N} }\mathbb{N} \cup \left\{ \lambda \right\} =\mathbb{N} \end{equation*}であるため、共通部分は可算集合です。

 

任意個の高々可算集合の共通部分の濃度

これまでの議論を踏まえると以下を得ます。

命題(高々可算集合を含む任意個の集合の共通部分の濃度)
集合族\(\left\{ A_{\lambda }\right\} _{\lambda \in \Lambda }\)の少なくとも1つの要素が高々可算集合であり、添字集合\(\Lambda \)が非空であるならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \Lambda }A_{\lambda }
\end{equation*}は高々可算集合である。

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先の命題を踏まえると以下を得ます。

命題(任意個の高々可算集合の共通部分の濃度)
集合族\(\left\{ A_{\lambda }\right\} _{\lambda \in \Lambda }\)の要素がいずれも可算集合であり、添字集合\(\Lambda \)が非空であるならば、共通部分\begin{equation*}\bigcap_{\lambda \in \Lambda }A_{\lambda }
\end{equation*}は高々可算集合である。

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演習問題

問題(減少集合列の共通部分)
可算集合族\(\left\{ A_{n}\right\} _{n\in \mathbb{N} }\)のすべての要素が可算集合であるとともに、\begin{equation*}A_{1}\supset A_{2}\supset A_{3}\supset \cdots
\end{equation*}が成り立つものとします。その上で、共通部分\begin{equation*}
\bigcap_{n\in \mathbb{N} }A_{n}
\end{equation*}をとります。この共通部分が空集合になる場合、非空の有限集合になる場合、可算集合になる場合の具体例をそれぞれ挙げてください。

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問題(可算集合と非可算集合の共通部分)
集合\(A\)に対して単射\(f:A\rightarrow \mathbb{N} \)が存在することと、\(A\)が高々可算集合であることは必要十分です。以上を踏まえた上で、可算集合\(A\)と任意の集合\(B\)について\(A\cap B\)が高々可算集合であることを、単射を明示する形で証明してください。
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問題(倍数集合の共通部分)
それぞれの\(n\in \mathbb{N} \)に対して、\begin{equation*}A_{n}=n\mathbb{N} =\left\{ nm\ |\ m\in \mathbb{N} \right\}
\end{equation*}と定義します。\(A_{n}\)が可算集合であることを示した上で、\begin{equation*}\bigcap_{n\in \mathbb{N} }A_{n}
\end{equation*}を求めてください。

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