カントールの対角線論法とそれを用いた証明

「カントールの対角線論法」あるいは単に「対角線論法」とは，数学における証明のテクニックの1つです。これについて，その内容を，実際の証明を通して理解していきましょう。

カントールの対角線論法とそれを用いた証明
1. 実数の個数は自然数の個数よりも真に大きい
2. 【カントールの定理】べき集合の濃度は元の濃度より大きい

カントールの対角線論法とそれを用いた証明

カントールの対角線論法とは，証明の手法を指します。カントールの対角線論法を用いた定理で最も有名である，以下の定理を証明してみましょう。

実数の個数は自然数の個数よりも真に大きい

以下では， $\mathbb{N}=\{1,2,3,\dots\}$ を自然数全体の集合とします。

定理（実数と自然数の濃度）

実数 $\mathbb{R}$ と自然数 $\mathbb{N}$ の間に全単射は存在しない。

すなわち，集合の濃度について， $\color{red} |\mathbb{N}|<|\mathbb{R}|$ である。

集合の濃度や，自然数・実数の濃度（可算濃度・連続体濃度）については，以下で解説しています。本記事では，これの知識がなくても読めます。

早速証明を見ていきましょう。後で図解するため，大体の理解で良いです。

証明

$\mathbb{R}$ と $(0,1]$ の間には全単射があるから， $f\colon \mathbb{N}\to (0,1]$ が全単射になり得ないことを示せばよい。

\begin{aligned} f(1) &= 0.a_{11}a_{12}a_{13}a_{14}\dots \\ f(2)&= 0.a_{21}a_{22}a_{23}a_{24}\dots \\ f(3)&= 0.a_{31}a_{32}a_{33}a_{34}\dots \\ f(4)&= 0.a_{41}a_{42}a_{43}a_{44}\dots \\ \vdots \end{aligned}

と小数表示する。ただし， $1=0.999\dots, \; 0.03=0.02999\dots$ のように，有限小数も無限小数で表すことにする。ここで，各 $n\ge 1$ について，

b_n = \begin{cases}1 & \text{if }a_{nn} \text{ is even,}\\ 2 & \text{if }a_{nn} \text{ is odd} \end{cases}

と定める(evenは偶数，oddは奇数の意味)。すると， $0.b_1b_2b_3b_4\dots \in (0,1]$ である。これを $b$ と定めよう。

$0.b_1b_2b_3b_4\dots$ は $0.0999\dots =0.1$ のように2通りで表せることはなく，かつ任意の $n$ に対して， $a_{nn}\ne b_n$ であることから，任意の $n$ に対して， $f(n)\ne b$ である。

従って， $b\notin f(\mathbb{N})$ であるから， $f$ は全射でない。

証明終

図解していきましょう。 $f$ を例えば次のように定めたとしましょう。このとき， $a_{kk}$ に着目して，同時に $b=b_1b_2b_3b_4\dots$ の値も記述すると，以下のようになります。

このとき，次のように，対角線の成分と $b$ の各桁を比較すると，その定義から必ず異なっていることが分かると思います。

これより， $b$ は $f(n)$ の形で表せないことになりますね。これは， $f$ が全射でないことを意味しています。

このように，対角線を見て，その成分に注目しているような証明手法を，カントールの対角線論法 (Cantor’s diagonal argument) といいます。

なお，この論法は，具体的に対応関係を定めて $b$ を構成しているため，選択公理は不要です(→選択公理の内容と具体例を詳しく)。

また，十進展開で進めましたが，二進展開で議論を進めても構いません。

【カントールの定理】べき集合の濃度は元の濃度より大きい

べき集合の濃度についての以下の定理も，カントールの対角線論法を用いる定理として有名です。

カントールの定理

集合 $A$ に対し， $2^A$ をそのべき集合とする。このとき，その濃度について， $\color{red} |A|<|2^A|$ である。

$|A|<|2^A|$ とは，簡単に言うと全単射 $f\colon A\to 2^A$ が存在しないことを示せばよいです。

$A$ が有限集合のとき， $n<2^n$ ですから，明らかです。無限集合のときにも考えられることが大切です。

証明

$|A|\le |2^A|$ は， $a\mapsto \{a\}$ が単射から従う。よって， $f\colon A\to 2^A$ としたとき，これが全単射でないことを示せばよい。

B=\{ a\in A\mid a\notin f(a)\}

と定めると， $B\in 2^A$ であるが， $B\notin f(A)$ である。実際， $B\in f(A)$ と仮定すると，ある $a\in A$ が存在して， $f(a)=B$ とできる。

$a\in B$ のとき， $a\in B=f(a)$ だが $B$ の定義に矛盾する。
$a\notin B$ のとき， $B$ の定義より $a\in f(a)=B$ であり，矛盾している。

よって，確かに $B\notin f(A)$ なので， $f$ は全射でない。

証明終

$A$ のべき集合 $2^A$ とは， $A$ の部分集合の集合全体 $\{B\mid B\subset A\}$ を指します。 $2^A$ の各元は， $A$ の各元を選ぶか選ばないかを決めることによって定まるので，これは写像の集合

2^A=\{ B\mid B\colon A\to \{0,1\} \}

と考えてもよいです。したがって，べき集合 $2^A$ の元は，以下のように「 $0,1$ の数の列」で表現してもよいでしょう。 $A$ の部分集合として含む元を $1$ ，含まない元を $0$ と表現しています。

\begin{array}{ccccc} a_1 & a_2 & a_3 & a_4& \dots\\ \hline 1 & 0 & 0 & 1 & \dots \end{array}

上の図を表現している部分集合を例えば $B\subset A\; (B\in 2^A)$ とすると， $a_1\in B,\; a_2\notin B,\dots$ です。

厳密には，可算集合でないと $A$ の元に $a_1,a_2,\dots$ のように番号付けはできません。あくまでイメージです。

まるで「二進展開」のようですね。このとき， $a\notin f(a)$ をみたす $2^A$ の元は， $a_1\notin f(a_1),\, a_2\notin f(a_2),\dots$ ですから，先ほどの二進展開の対角成分に注目し， $0,1$ を入れ替えたものになります。